Project cuts turbulence to boost output from fusion reactors. Il progetto riduce le turbolenze per aumentare la produzione dei reattori a fusione.
Fusion, the process that powers the sun, has long been seen as a potential means of generating abundant, clean energy.
However, despite years of research into the process, challenges remain about how to create and maintain the extremely high temperatures and pressures needed for sustained fusion.
One important factor is turbulence, which can decrease the temperature and pressure of the plasma inside the reactor, reducing the amount of fusion power that can be generated.
Now researchers at York University are investigating ways to suppress this turbulence, in the hope of increasing the amount of fusion power that can be produced by reactors such as the ITER Tokamak project in southern France.
The EPSRC-funded project, which also includes the UK Atomic Energy Authority as well as researchers from the Universities of Oxford, Strathclyde and Warwick, is also aiming to investigate ways in which the same amount of fusion power can be generated from smaller reactors, which would be cheaper and quicker to build and commercialise.
To generate thermonuclear fusion, a plasma of deuterium and tritium contained within a magnetic field must be heated to 100 million degrees Kelvin – ten times the temperature at the centre of the sun. This causes the nuclei to fuse together to form a heavier nucleus, helium, releasing large amounts of energy in the process.
As the plasma is heated, the pressure at the centre increases towards fusion conditions, while that at the edges remains low, to be compatible with the material surfaces of the vessel, according to Professor Howard Wilson at York, who is leading the project. “The steeper you can make your pressure gradient, the higher you can make your central pressure, and the more fusion power you’ll get out,” he said.
However, as the pressure gradient increases, it causes the plasma to begin churning, generating turbulence. This turbulence then pushes heat and charged particles out from the centre of the plasma to the edges, reducing the pressure gradient, and the amount of fusion power that can be produced.
“If this churning didn’t happen, then you wouldn’t get this loss of heat and particles across the magnetic field lines,” said Wilson. “In this way, you could support a very big plasma pressure gradient, and achieve a high pressure in the centre and lots of fusion power,” he said.
Alternatively, you could achieve the same amount of fusion power, but from a smaller reactor, he said.
To investigate ways of suppressing this turbulence, the researchers plan to use advanced simulation, alongside experiments at the newly upgraded MAST-U reactor at the Culham Centre for Fusion Energy.
The researchers are developing models for how the plasma behaves, and how the turbulence is generated, but the process is an extremely complex one to simulate, said Wilson.
“Turbulence in a fluid like water usually only depends on what we call the fluid variables, parameters like pressure and flow,” he said. “But in a plasma, there are a whole range of new waves that don’t exist in neutral fluids like water or gas, as well as certain characteristic drifts of the particles that can resonate with those waves, amplify them, and cause them to crash and churn up the plasma, driving the turbulence.”
So the researchers are aiming to develop models that simplify this process while keeping as much of the plasma physics as possible. They will then compare their predictions with data from real tokamak reactors, such as MAST-U, he said.
“Then we can use our simulation codes to predict the level of turbulence that we’d expect to see in a real fusion reactor, like ITER, and how we should optimise the plasma scenarios to give us the lowest turbulence state.”
ITALIANO
La fusione, il processo che alimenta il sole, è stata a lungo considerata un potenziale mezzo per generare energia abbondante e pulita.
Tuttavia, nonostante anni di ricerca nel processo, rimangono le sfide su come creare e mantenere le temperature estremamente elevate e le pressioni necessarie per una fusione sostenuta.
Un fattore importante è la turbolenza, che può ridurre la temperatura e la pressione del plasma all'interno del reattore, riducendo la quantità di energia di fusione che può essere generata.
Ora i ricercatori della York University stanno studiando i modi per sopprimere questa turbolenza, nella speranza di aumentare la quantità di energia di fusione che può essere prodotta da reattori come il progetto ITER Tokamak nel sud della Francia.
Il progetto finanziato dall'EPSRC, che comprende anche l'Autorità per l'energia atomica del Regno Unito, nonché i ricercatori delle università di Oxford, Strathclyde e Warwick, ha anche lo scopo di studiare i modi in cui la stessa quantità di energia di fusione può essere generata da reattori più piccoli, che sarebbe più economico e più veloce da costruire e commercializzare.
Per generare la fusione termonucleare, un plasma di deuterio e trizio contenuto in un campo magnetico deve essere riscaldato a 100 milioni di gradi Kelvin - dieci volte la temperatura al centro del sole. Questo fa sì che i nuclei si fondano insieme per formare un nucleo più pesante, l'elio, rilasciando grandi quantità di energia nel processo.
Mentre il plasma viene riscaldato, la pressione al centro aumenta verso le condizioni di fusione, mentre quella ai bordi rimane bassa, per essere compatibile con le superfici del materiale della struttura, secondo il professor Howard Wilson di York, che guida il progetto. "Più il tuo gradiente di pressione è più ripido, maggiore è la tua pressione centrale e più potenza di fusione ne uscirà", ha affermato.
Tuttavia, all'aumentare del gradiente di pressione, il plasma inizia a ribollire, generando turbolenza. Questa turbolenza spinge quindi il calore e carica le particelle dal centro del plasma verso i bordi, riducendo il gradiente di pressione e la quantità di energia di fusione che può essere prodotta.
"Se questa agitazione non si verificasse, allora non otterresti questa perdita di calore e particelle attraverso le linee del campo magnetico", ha detto Wilson. "In questo modo, è possibile sostenere un gradiente di pressione del plasma molto grande e ottenere un'alta pressione nel centro e molta potenza di fusione", ha affermato.
In alternativa, potresti ottenere la stessa quantità di energia da fusione, ma da un reattore più piccolo, ha detto.
Per studiare i modi per sopprimere questa turbolenza, i ricercatori prevedono di utilizzare la simulazione avanzata, insieme agli esperimenti sul reattore MAST-U recentemente aggiornato presso il Culham Center for Fusion Energy.
I ricercatori stanno sviluppando modelli per come si comporta il plasma e come viene generata la turbolenza, ma il processo è estremamente complesso da simulare, ha affermato Wilson.
"La turbolenza in un fluido come l'acqua di solito dipende solo da quelle che chiamiamo variabili fluide, parametri come pressione e flusso", ha detto. "Ma in un plasma ci sono tutta una serie di nuove onde che non esistono nei fluidi neutri come l'acqua o il gas, così come alcune derive caratteristiche delle particelle che possono risuonare con quelle onde, amplificarle e farle schiantarsi e agitare il plasma, guidando la turbolenza ".
Quindi i ricercatori mirano a sviluppare modelli che semplificano questo processo pur mantenendo il più possibile la fisica del plasma. Quindi confronteranno le loro previsioni con i dati provenienti da veri reattori tokamak, come MAST-U, ha detto.
"Quindi possiamo usare i nostri codici di simulazione per prevedere il livello di turbolenza che ci aspetteremmo di vedere in un reattore a fusione reale, come ITER, e come dovremmo ottimizzare gli scenari al plasma per darci il più basso stato di turbolenza".
Da:
https://www.theengineer.co.uk/fusion-turbulence/?cmpid=tenews_5508101&utm_medium=email&utm_source=newsletter&utm_campaign=tenews&adg=B69ABBDE-DA23-4BA2-B8C3-86E1E1A9FA79
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