Khai thác sức mạnh của Mặt trời trên Trái đất: Bước tiến lớn trong hiệu suất bộ máy cho năng lượng nhiệt hạch

Stellarators, các thiết bị từ tính xoắn nhằm mục đích khai thác trên Trái đất năng lượng nhiệt hạch cung cấp năng lượng cho mặt trời và các ngôi sao, từ lâu đã đóng vai trò khó khăn thứ hai đối với các cơ sở hình bánh rán được sử dụng rộng rãi hơn được gọi là tokama. Các nam châm stellarator xoắn phức tạp rất khó thiết kế và trước đây đã cho phép rò rỉ nhiệt siêu cao hơn từ các phản ứng nhiệt hạch.

Giờ đây, các nhà khoa học tại Viện Vật lý Plasma Max Planck (IPP), phối hợp với các nhà nghiên cứu bao gồm Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) ( PPPL ), đã chỉ ra rằng Wendelstein 7-X (W7-X) thiết bị ở Greifswald, Đức, thiết bị đo lớn nhất và tiên tiến nhất trên thế giới, có khả năng giữ nhiệt đạt đến nhiệt độ gấp đôi so với lõi của mặt trời.

Chỉ số chủ chốt

Một công cụ chẩn đoán được gọi là XICS, được thiết kế, chế tạo và vận hành chính bởi nhà vật lý PPPL Novimir Pablant phối hợp với nhà vật lý IPP Andreas Langenberg, là một chỉ báo quan trọng về việc giảm mạnh một loại tổn thất nhiệt được gọi là “vận chuyển tân cổ điển” đã có từ trước đến nay. lớn hơn trong bộ gõ cổ điển hơn trong tokama. Gây ra sự vận chuyển rắc rối là các vụ va chạm thường xuyên làm văng các hạt bị nung nóng ra khỏi quỹ đạo của chúng khi chúng xoay quanh các đường sức từ giới hạn chúng. Góp phần vào quá trình vận chuyển là sự trôi dạt trong quỹ đạo của các hạt.

Một báo cáo gần đây về những phát hiện của W7-X trên tạp chí Nature đã xác nhận thành công của những nỗ lực của các nhà thiết kế trong việc tạo hình nam châm stellarator xoắn phức tạp để giảm bớt sự vận chuyển kiểu tân cổ điển. Tác giả đầu tiên của bài báo là nhà vật lý Craig Beidler của Bộ phận Lý thuyết IPP. Pablant, đồng tác giả cùng với Langenberg của bài báo cho biết: “Thật là một tin vui cho sự hợp nhất rằng thiết kế này đã thành công. “Nó cho thấy rõ ràng rằng loại tối ưu hóa này có thể được thực hiện.”

David Gates, người đứng đầu Bộ phận Dự án Nâng cao tại PPPL, người giám sát công việc máy chuẩn bị của phòng thí nghiệm, cũng rất thích thú. Gates nói: “Thật là rất thú vị đối với chúng tôi, tại PPPL và tất cả các tổ chức hợp tác khác của Hoa Kỳ, được trở thành một phần của thử nghiệm thực sự thú vị này. “Công việc của Novi là trung tâm của nỗ lực của nhóm thí nghiệm tuyệt vời này. Tôi rất biết ơn các đồng nghiệp người Đức của chúng tôi vì đã ân cần tạo điều kiện cho chúng tôi tham gia. ”

Năng lượng không có carbon

Sự hợp nhất mà các nhà khoa học tìm cách tạo ra kết hợp các nguyên tố ánh sáng ở dạng plasma – trạng thái nóng, tích điện của vật chất bao gồm các electron tự do và hạt nhân nguyên tử, hoặc ion, chiếm 99% vũ trụ nhìn thấy – để tạo ra một lượng lớn năng lượng . Sản xuất nhiệt hạch có kiểm soát trên Trái đất sẽ tạo ra nguồn cung cấp hầu như không cạn kiệt nguồn năng lượng an toàn, sạch và không có carbon để tạo ra điện cho nhân loại và đóng vai trò là một đóng góp chính cho quá trình chuyển đổi khỏi nhiên liệu hóa thạch.

Stellarators, được chế tạo lần đầu tiên vào những năm 1950 dưới thời Lyman Spitzer, người sáng lập PPPL, có thể hoạt động ở trạng thái ổn định với ít rủi ro về sự gián đoạn plasma mà tokamaks phải đối mặt. Tuy nhiên, sự phức tạp và lịch sử hạn chế nhiệt tương đối kém của chúng đã kìm hãm chúng. Mục tiêu chính của thiết kế tối ưu hóa của W7-X, sản xuất plasma đầu tiên của nó vào năm 2015, là chứng minh sự phù hợp của một thiết bị sao được tối ưu hóa như một nhà máy điện nhiệt hạch cuối cùng.

Kết quả thu được bởi XICS chứng minh nhiệt độ ion nóng không thể đạt được nếu không giảm mạnh vận chuyển tân cổ điển. Các phép đo này cũng được thực hiện bởi chẩn đoán CXRS do IPP xây dựng và vận hành, được cho là chính xác hơn một chút nhưng không thể thực hiện trong mọi điều kiện. Các cấu hình nhiệt độ cuối cùng trong báo cáo Nature được lấy từ CXRS và được hỗ trợ bởi các phép đo với XICS trong các plasmas tương tự.

“Vô cùng quý giá”

Robert Wolf, người đứng đầu bộ phận vận hành và sưởi ấm W7-X và là đồng tác giả của bài báo cho biết: “Nếu không có XICS, chúng tôi có lẽ đã không phát hiện ra chế độ [giam giữ tốt] này. “Chúng tôi cần một phép đo nhiệt độ ion sẵn có và điều này cực kỳ có giá trị.”

Các nhà nghiên cứu đã tiến hành một thí nghiệm suy nghĩ để kiểm tra vai trò của việc tối ưu hóa trong kết quả giam giữ. Thí nghiệm phát hiện ra rằng trong một phương tiện vận chuyển tân cổ điển lớn không được tối ưu hóa bằng stellarator sẽ khiến nhiệt độ cao được ghi trên W7-X đối với công suất sưởi đã cho là không thể. “Điều này cho thấy hình dạng được tối ưu hóa của W7-X đã giảm bớt sự vận chuyển tân cổ điển và cần thiết cho hiệu suất được thấy trong các thí nghiệm W7-X,” Pablant nói. “Đó là một cách cho thấy mức độ quan trọng của việc tối ưu hóa.”

Ông nói thêm, kết quả đánh dấu một bước tiến tới việc cho phép các máy đo mẫu dựa trên thiết kế W7-X dẫn đến một lò phản ứng nhiệt hạch thực tế. “Nhưng giảm phương tiện giao thông tân cổ điển không phải là điều duy nhất bạn phải làm. Có một loạt các mục tiêu khác phải được thể hiện, bao gồm cả việc vận hành ổn định và giảm bớt sự hỗn loạn trong giao thông vận tải ”. Sản xuất vận chuyển hỗn loạn là các gợn sóng và xoáy chạy qua plasma là nguồn thất thoát nhiệt chính thứ hai.

W7-X sẽ mở cửa trở lại vào năm 2022 sau khi nâng cấp ba năm để lắp đặt hệ thống làm mát bằng nước giúp kéo dài thời gian thử nghiệm nhiệt hạch và một bộ phân kỳ cải tiến sẽ thải nhiệt hiệu suất cao. Việc nâng cấp sẽ cho phép các nhà nghiên cứu của W7-X tiến hành bước tiếp theo trong cuộc điều tra về tính xứng đáng của các thiết bị đo được tối ưu hóa để trở thành bản thiết kế cho các nhà máy điện.

Hỗ trợ cho công việc này đến từ chương trình nghiên cứu và đào tạo của Euratom và Văn phòng Khoa học DOE.

Theo Scitechdaily