Учените по-нататъшно разбиране на процес, който причинява загуба на топлина в устройства за термоядрен синтез

От атеизма към светостта (Юни 2019).

Anonim

Всеки знае, че играта на билярд включва топки, които се отпускат отстрани на билярдната маса, но малко хора могат да знаят, че същият принцип се прилага и при реакциите на термоядрения синтез. Как заредените частици като електрони и атомни ядра, които образуват плазмата, взаимодействат със стените на устройства с формата на понички, известни като токамаки, помага да се определи ефективността на реакциите на синтез. По-специално, във феномен, известен като излъчване на вторични електрони (SEE), електроните удрят повърхността на стената, причинявайки излъчването на други електрони. Тези вторични електрони охлаждат ръба на плазмата и овлажняват цялостната ефективност на плазмата.

Учени от лабораторията по физика на плазмата на Плевенския университет (DOE) на САЩ от десетилетия насам са изучавали ЮИЕ и през изминалата година са направили значителен напредък, който допълнително ги разбират. Напоследък двама от физиците - Марлейн Патино, студент в Калифорнийския университет в Лос Анджелис и Ангела Капече, професор в колежа в Ню Джърси, са насочили усилията си към изследване как SEE се влияе от различни стенови материали и структури.

Разбирането на ЮИЕ е от решаващо значение, тъй като поведението на вторичните електрони може да повлияе на ефективността на бъдещите машини за термоядрен синтез. "Когато топлинните загуби станат големи, термоядрената машина е по-малко способна да произвежда енергия", каза Capece.

В изследването си в SEE Capece изследва как електроните взаимодействат с литий - материал за стени, който може да подобри способността на токамаките да ограничат плазмата. Други учени, които се интересуват от литий, са създали компютърни модели, които симулират взаимодействието на литий с електрони от плазмата, но тези модели не са взели предвид колко лесно литийните връзки с други микроелементи в плазмата, като кислород, образуват нови молекули като литиев оксид, Тези нови молекули взаимодействат с електроните по различен начин от чистия литий.

По-конкретно, когато електроните удрят литиев оксид върху стената на токамак, в плазмата се отделят много повече вторични електрони, отколкото за нелитиевите стени като волфрам и въглерод. Ако токамак има облицовка от графит, една електрон, която я удря с определено количество енергия, може да произведе един вторичен електронен елемент. От друга страна, ако един електронен с една и съща енергия удари облицовка от литиев оксид, може да се получи от един до три вторични електрони.

Това несъответствие е от решаващо значение. "При включването на SEE в моделите на термоядрените устройства е важно да се отчете реактивността на литий и да се образува литиев оксид в токамак среда", каза Capece.

Capece накрая установи, че като цяло става по-лесно за електрона да се отделя вторичен електронен елемент, когато съдържанието на кислород в литиевата облицовка се покачва. Изследванията й измерват точно как количеството кислород, свързан с литий в стената, променя количеството вторични електрони, които могат да навлязат в плазмата. Докато повишената доходност в ЮИЕ може да доведе до загуба на топлина, много променливи на ръба на плазмата могат да променят въздействието.

Патино учи ЮИЕ от различна гледна точка. Тя изследва малки структури, известни като "fuzz", които се образуват върху волфрамови облицовки, когато са били бомбардирани от хелиеви ядра. Тя отбеляза, че в сравнение с гладкото волфрам, волфрамът с мъх може да намали ЮИЕ с 40% до 60%. Тези констатации са били значими, тъй като изследванията от миналото на изследователите включват микроструктури, докато в това изследване волфрамовият фъз е нараснал сам по себе си. Освен това, за разлика от произведените структури, намаляването на SEE не зависи от ъгъла, при който електроните се приближават до стената, както защото вторичните електрони са захванати от размиването, така и влакната в размиването са разпределени случайно. "Тази липса на зависимост от ъгъла на инцидента е важна за стените на плазмените машини, тъй като електроните ще ударят стените при големи наклонени ъгли", каза Патино.

Работата й е публикувана в брой 2016 на Приложна физика на писмата. Чавес е публикуван в броя на същия дневник, издаден през юли 2016 г. Изследванията им бяха финансирани от Службата за наука на DOE (науки за термоядрената енергия). Работата на Патино също бе финансирана от Службата за научни изследвания на ВВС (AFOSR).

SEE за пръв път привлече вниманието на учени от PPPL чрез експериментални и теоретични изследвания на плазмените тласкачи, устройства, които един ден могат да задвижват космически кораби на далечни космически обекти. "Изследователите на PPPL излязоха с идеята да използват повърхностно архитектурни материали като въглеродна кадифе, за да потискат ЮИЕ и по този начин да подобрят производителността и продължителността на плазмените тласкачи", заяви Евгени Райцес, главен изследователски физик в PPPL и главен изследовател в Патино и проектите на Capece.

menu
menu