En büyük zorluğunu çözmek için bir füzyon reaktörünün manyetik kafesini şekillendirme: Güç egzozu

Füzyon reaktörlerindeki güç egzoz zorluğu

Füzyon enerjisi ticari gerçekliğe doğru ilerliyor. Gibi büyük kamu projeleri Demo ve Nimbler, İngiltere gibi özel olarak desteklenen kavramlar ADIM ve MIT – CFS'ler Yay Hepsi aynı engelle yüzleşir: plazmanın duvarlara taşıdığı muazzam ısıyı gidermek. Bir güç eki – ölçekli Tokamak'ın içindeki manyetik bir alan çizgisi boyunca paralel Isı akısı aşabilir 1 GW M⁻²– En zorlu malzemelerin bile hayatta kalabileceği ∼5-10 mW m⁻² yüzey -normal yüklerin üzerinde iki büyüklük sırası. Hiçbir şey yapılmazsa, geleneksel bir divertör saniyeler içinde başarısız olur.

Bu nedenle yeni egzoz çözümleri sadece yükseltmeler değil, ancak sağlayıcılar: Demo sınıfı makineleri riskini azaltırlar ve daha sıkı geometrinin hala daha büyük akışları yönlendirdiği kompakt reaktörler için vazgeçilmezdir.

Direk yükseltmesi: amaca yönelik bir test yatağı

İngiltere'nin amiral gemisi füzyon deneyi, Direk yükseltmesi UKAEA tarafından işletilmiştir2021'de bir net görevle operasyona girdi: Gelişmiş Güç – exhaust kavramlarını test edin. İmza özelliği Süper X Divertor (SXD), güç egzoz sistemini uzatan ve tanıtan. İlk sonuçlar zaten> 10 katlı ısı akışını azaltma ile ima etti [1, 2]. İngiltere ve Avrupa (Eurofusion) araştırma toplulukları arasında bir işbirliği ile elde edilen son sonuçlarımız, şimdi en açık kanıtları sunuyor terzilik Divertör topolojisi, temel performanstan ödün vermeden egzoz zorluğunu karşılayabilir.

Anahtar Sonuçlar

Manyetik diverör topolojisini sistematik olarak değiştirerek, orta derecede şekillendirmede bile ortaya çıkan bir faydaların sürekliliğini ortaya çıkardık.

1) X20'ye kadar ısı akısı azaltma. Bu, daha uzun güç egzoz kanalı uzunluklarındaki ek hacimden sadece x3 ile geometriye dayalı beklentileri aşar.
2) Daha geniş operasyonel rejim (> x3.5) Plazmaya bakan bileşenlerden sıcak, iyonlaştırıcı, plazmayı “ayırarak” hedefi koruyan nötr parçacıkların “tamponunun” geliştirilmesine daha iyi erişim. Bir reaktörde bu “müfrezeyi” elde etmek çok önemlidir. Divertor optimizasyonu böylece bir reaktörün uygulanabilir çalışma rejimini genişletebilir.
3) Azaltılmış ayrılma duyarlılığı (x5). Çekirdekteki küçük değişiklikler, geleneksel divneratörlerde bu “ayrılmanın” kaybına (kontrolü) hızlı bir şekilde (kontrol) – bir reaktör için felaket. Güç egzoz kanalının uzatılmasının ve onun boyunca manyetik bir alan gradyanı kullanmanın ayrılma hassasiyetini azalttığını gösteriyoruz.
4) Dekolman sırasında geliştirilmiş çekirdek performansı. En önemlisi, temel performans farklı diverter geometrileri için ayırt edilemez kaldı – geliştirilmiş diverter tasarımları ayrıldığında bile.

Sonuçlarımız, düşük plazma-sıcaklık topluluğundan esinlenen yeni teşhis tekniklerini kullanarak [4]bu faydaların arkasındaki fiziği açıklayın. Analiz, Divertor şekillendirmenin farklı unsurlarının sinerjik olarak, analitik azaltılmış modellerle tutarlı olduğunu göstermektedir. [5] tam teşekküllü hesaplama modellerinin yanı sıra. Plazma nötr etkileşimleri, bu faydalarda önemli roller oynar ve bu etkileşimlerin tedavisinde deneylerle anlaşmayı artırmak için iyileştirmeler gerektirir.

Reaktör tasarımı için çıkarımlar
Güç egzozu, Fusion'ın en büyük zorluklarından biridir ve kompakt füzyon tasarımları için potansiyel bir gösteri. Mevcut reaktör stratejileri, füzyon gücünün yarısına kadar yaymak için yüksek Z safsızlıklarının tohumlanmasına dayanmaktadır. Füzyon çekirdeğinin içinde [6] – enerjik olarak pahalı, potansiyel olarak demo için yetersiz ve kesinlikle ark veya adım için yetersiz. Sonuçlarımız tamamlayıcı bir yol göstermektedir: Diveratörü şekillendirin, böylece plazma kendini soğuturdaha az safsızlık gerektirir. Çünkü kazançlar ılımlı değişikliklerden sonra zaten ortaya çıkıyor – mühendisler performansa karşı ticaret karmaşıklığı İkili “son derece şekilli veya geleneksel divertör” seçimi yapmak yerine. Divertor şekillendirme, mühendislik karmaşıklığının ve maliyet/boyutunun arttığı için [7]bu süreklilik bakış açısı yeni nesil füzyon reaktörleri için hoş bir esneklik sunar.

Reaktör gazının çalıştırılması yavaş yanıt verdiği için gerçek zamanlı güç egzoz kontrolü muazzam bir zorluktur (~ saniye) divertör değişikliklerine. Azaltılmış ayrılma hassasiyeti etkili bir şekilde yavaşlar Dinamikler. Tamamlayıcı Mast-U Deneyler, müstakil nötr tamponun kapalı döngü kontrolünün optimize edilmiş divertör şekillerinde başarılı olduğunu, ancak (mast-u) geleneksel olanda başarısız olduğunu göstermektedir. [8]- Divertor tasarımının ve kontrol sinerjilerinin güç egzoz kontrolünü geliştirdiğine dair kanıt.

Sonraki Adımlar

• Daha yüksek güç ve daha güçlü pompalama. Yaklaşan kampanyalar, reaktörle ilgili kriyopumplama kullanırken, daha büyük güç/yoğunluk oranlarına yaklaşırken nötr-brenç ısıtmasını 4 MW'a (ve 2026'da ≥ 10 MW) yükseltecektir.

• Entegre tasarım çalışmalarını bilgilendirmek için daha ince geometri taramaları. Divertör şeklindeki artımlı değişiklikler, mühendislik maliyeti ve fizik kazancı arasındaki tatlı hızlı noktayı bulacaktır. Bu, tüm reaktör tasarımında Flexibilty DiverTor tasarım tekliflerinden tam olarak yararlanmak için entegre reaktör tasarım çalışmalarını bilgilendirmek için simülasyonları ve azaltılmış modelleri daha da doğrular.

Kağıdın arkasında

Bu sonuçlar Eurofusion “Alternatif Divertor Konfigürasyonları (ADC) için fizik anlayışı, Avrupa'daki ADC'ler üzerinde işbirlikçi, çok cihazlı araştırmalar yönlendiren demo için risk azaltma olarak”. ADC'lerle incelenebilen parametre alanı, “geleneksel” divıcılarda araştırılabileceklerin çok ötesindedir. Bu, ADC çalışmalarını ITER için hem modelleme hem de gerçek zamanlı kontrol tekniklerinin doğrulama çalışması için hayati önem taşır. Ukaea yeni Mast-U tesisini sağlarken, Avrupa, İngiltere ve ABD'deki ortaklar teşhis, analiz kodları ve yeni perspektifler sağladı. Eurofusion işbirliğinin Mast – U üzerinde gerçek zamanlı müfreze kontrolü gösterdi [8] Ve daha yakın zamanda, uçun faydaları X – Talget İsviçre'de yapılandırma TCV Tokamak [9]. Bu Eurofusion araştırma başarıları, ADC'lerin teknolojik hazır olma seviyesini ilerleterek bu etkinleştirme teknolojisinin yeni nesil reaktör tasarımında kilit yenilikler sağlamasını sağlıyor.

Mast Upggred'in Super-X divertörü neredeyse çok etkili: en yüksek güç deneyleri sırasında (~4 MW) Super-X, ne kadar zorla çalıştırmaya çalıştığımız önemli değil, müstakil kaldı. Erken spektroskopik analiz [4] Divertor'un çok soğuk Standart füzyon veri tabloları için. EPS Plazma Fizik Konferansı'ndaki “düşük sıcaklıkta plazma” oturumunda bu ilk ölçümleri ve analizleri sunmak ironik hissetti ve tatmin edici.

Nihayetinde, güç egzozu için tek bir gümüş mermi yoktur, ancak manyetik topolojiyi şekillendirmek tasarımcılara yeni bir yeni kadran verir. Öne karmaşıklık ekler, ancak daha uzun bileşen ömrüleri, daha yüksek füzyon kazancı ve daha kompakt, ekonomik bitkiler yolda vaat eder.

[1] C. Theiler, B. Lipschultz ve ark. Çekirdek. Fusion (2017)
[2] J. R. Harrison ve ark. Çekirdek. Fusion (2024)
[3] K. Verhaegh, B. Lipschultz ve ark. Çekirdek. Fusion (2022)
[4] D. Moulton, J.R. Harrison ve ark. Çekirdek. Fusion (2024)
[5] B. Lipschultz, F. I. Parra, I. H. Hutchinson ve ark. Çekirdek. Fusion (2016)
[6] L. Xiang, F. Militello ve ark. Çekirdek. Fusion (2021)
[7] R. Kembleton, M. Siccinio ve ark. Fusion Eng. Des. (2022)
[8] B. Kool, K. Verhaegh ve ark.Arxiv: 2407.07784 (2024)
[9] K. Lee, C. Theiler ve ark. Fiz. Rev. Lett. (2025)
[10] M. Wigram, B. Labombard ve ark. Çekirdek. Fusion (2019)