Эта концепция также применима к конструкции стеллараторов, которые представляют собой сложные эксперименты по ядерному синтезу, предназначенные для изучения потенциала синтеза как источника энергии. Стеллараторы работают, удерживая кольцо раскаленной плазмы внутри магнитного поля точной формы, создаваемого внешними электромагнитными катушками.
Когда плазма нагревается до нескольких миллионов градусов — такая же горячая, как внутренняя часть Солнца — атомные ядра начинают сливаться вместе, высвобождая огромное количество энергии.Прежде чем повернуть один-единственный болт, чтобы построить одно из этих редких и дорогих устройств, инженеры создают точные планы, используя серию алгоритмов. Однако самые разные формы катушек могут генерировать одно и то же магнитное поле, что усложняет процесс проектирования.
До сих пор немногие исследователи изучали, как выбрать лучшую из всех возможных форм катушек для конкретного стелларатора.Физик из Мэрилендского университета Мэтт Ландреман внес важные изменения в один из наиболее распространенных программных инструментов, используемых для разработки стеллараторов. Новый метод лучше сбалансирует компромисс между идеальной формой магнитного поля и потенциальной формой катушки, что приводит к конструкциям с большим пространством между катушками.
Это дополнительное пространство обеспечивает лучший доступ для ремонта и больше мест для установки датчиков. Новый метод Ландремана описан в статье, опубликованной 13 февраля 2017 года в журнале Nuclear Fusion.
«Вместо того, чтобы оптимизировать только форму магнитного поля, этот новый метод одновременно учитывает сложность форм катушек. Так что есть небольшой компромисс», — сказал Ландреман, младший научный сотрудник Института исследований электроники и прикладной физики UMD. (IREAP) и единственный автор исследования. «Это немного похоже на покупку машины. Возможно, вам нужна самая дешевая машина, но вам также нужна самая безопасная машина. Обе функции могут противоречить друг другу, поэтому вам нужно найти способ встретиться посередине».
Исследователи использовали предыдущий метод, названный Решателем Неймана для полей, создаваемых внешними катушками (NESCOIL) и впервые описанный в 1987 году, для разработки многих действующих сегодня стеллараторов, включая Wendelstein 7-X (W7-X). Самый большой из существующих стелларатор W7-X начал работу в 2015 году в Институте физики плазмы им.
Макса Планка в Германии.«Большинство разработок, включая W7-X, начиналось с магнитного поля особой формы, ограничивающего плазменный колодец. Затем конструкторы придумали катушки для создания этого магнитного поля», — пояснил Ландреман. «Но этот метод обычно требовал большого количества проб и ошибок с инструментами проектирования катушек, чтобы избежать слишком близкого сближения катушек, что сделало невозможным их строительство или оставило слишком мало места для доступа к плазменной камере для обслуживания».Новый метод Ландремана, который он называет Regularized NESCOIL — или сокращенно REGCOIL — позволяет обойти это, решая проблему расстояния между катушками в конструкции стелларатора в тандеме с формированием самого магнитного поля.
В результате, по словам Ландремана, получается более быстрый и надежный процесс, позволяющий с первой попытки получить лучшую форму катушек.Тесты моделирования, проведенные Ландреманом, показывают, что конструкции, произведенные REGCOIL, удерживают горячую плазму в желаемой форме, при этом значительно увеличивая минимальные расстояния между катушками.
«В математике мы бы назвали конструкцию катушки стелларатора« некорректно поставленной проблемой », что означает, что существует множество потенциальных решений. Поиск лучшего решения во многом зависит от правильной постановки проблемы», — сказал Ландреман. «REGCOIL делает именно это, упрощая форму катушек таким образом, что проблема может быть решена очень эффективно».
Развитие ядерного синтеза как жизнеспособного источника энергии остается далеким будущим. Но такие инновации, как новый метод Ландремана, помогут снизить затраты и время, необходимые для создания новых стеллараторов для исследований и, в конечном итоге, для практических приложений по выработке энергии.«Эта область все еще находится на стадии фундаментальных исследований, и каждый новый дизайн полностью уникален», — сказал Ландреман. «При балансировании этих несовместимых функций всегда будут разные точки, в которых вы можете решить пойти на компромисс.
Метод REGCOIL позволяет инженерам исследовать и моделировать множество различных точек в этом спектре».