Phillip Hopkins
0 
3679
660
Redaktörens anmärkning: Denna berättelse uppdaterades kl. 1:35. E.T.
Mystiska, spöklika "whistlervågor" som normalt skapas av blixtar kan skydda kärnfusionsreaktorer från språngelektroner, tyder ny forskning på.
Dessa whistlervågor finns naturligt högt över marken i jonosfären - ett lager av jordens atmosfär cirka 80 till 600 miles (80 an1000 kilometer) över planetens yta. Dessa spöklika visslingvågor bildas när blixtbultar genererar pulser av elektromagnetiska vågor som rör sig mellan norra och södra halvklotet. Dessa vågor förändras i frekvens när de korsar världen, och när dessa ljussignaler omvandlas till ljudsignaler låter de som visselpipor.
Nu har dessa whistlervågor upptäckts i den heta plasman i en tokamak - den munformade maskinen där kärnfusionsreaktioner äger rum - enligt en ny studie publicerad 11 april i tidskriften Physical Review Letters.
Eftersom visselpipare kan sprida och hindra höghastighetselektroner kan de ge ett nytt sätt att förhindra bortfallna elektroner från att skada insidan av en tokamak.
Fusionskraft
I kärnfusionsreaktioner, som driver solen och stjärnorna, smälter atomer samman och smälter samman till större atomer medan de släpper energi. I decennier har forskare försökt utnyttja fusionsenergi på jorden genom att använda kraftfulla magnetiska fält inuti tokamaks för att korrigera munkformade moln av het plasma - en konstig fas av materie som består av elektriskt laddad gas.
Inuti tokamak kan elektriska fält driva elektroner snabbare och snabbare. Men eftersom dessa höghastighetselektroner flyger genom plasma kan de inte sakta ner. Normalt känner objekt som rör sig genom en gas eller vätska en dragkraft som ökar med hastigheten. Ju snabbare du kör din bil, till exempel, desto mer vindmotstånd stöter du på. Men i plasma minskar dragkraften med hastighet, vilket gör att elektroner kan accelerera till nära ljushastighet, vilket skadar tokamak.
Forskare har redan några tekniker för att mildra avbrott, säger Don Spong, en fysiker vid Oak Ridge National Laboratory i Tennessee och medförfattare till den nya studien. De kan använda konstgjorda intelligensalgoritmer för att övervaka och justera plasma-densiteten för att förhindra att elektroner accelererar för snabbt. Om det fortfarande finns runaways, kan de injicera pellets av fryst neon i plasma, vilket ökar plasmatätheten och bromsar bortgående elektroner.
Men whistlervågor kan vara ännu ett sätt att töja bort språngelektroner. "Vi vill helst undvika störningar och sprickor," sade Spong. "Men om de inträffar, vill vi ha flera verktyg tillgängliga för att hantera dem."
Stoppar bana
I tokamak vid DIII-D National Fusion Facility i San Diego upptäckte Spongs forskargrupp för första gången whistlervågor som produceras av språngelektroner.
Plasma, förklarade han, är som en bit av Jell-O med många vibrationssätt. Om vissa bortkörda elektroner har precis rätt hastighet, väcker de ett av dessa lägen och utlöser visslingvågor - liknande hur att köra en gammal bil med precis rätt hastighet kan få instrumentpanelen att vibrera.
"Vad vi vill göra är att omvända den processen och sätta vågorna på utsidan [av plasma] för att sprida runaways," sa Spong.
Genom att bättre förstå hur runaways skapar whistlers hoppas forskarna att de kan vända processen - med hjälp av en extern antenn för att generera whistlers som kan sprida elektronerna och förhindra dem från att komma för snabbt.
Forskarna måste fortfarande utforska förhållandet mellan runaways och whistlers, säger Spong till exempel genom att identifiera vilka frekvenser och våglängder som fungerar bäst för att hämma runaways och genom att studera vad som händer i den tätare plasma som behövs för fusionsreaktorer.
Naturligtvis är undertryckning av bortkörda elektroner bara ett hinder för att skapa ren energi från kärnfusion. Just nu kräver fusionsreaktorer mer energi värmeplasma än vad som produceras av fusionen. För att nå brytpunkten måste forskare fortfarande ta reda på hur man får plasma för att hålla sig varm utan att behöva lägga till värme.
Men Spong är optimistisk när det gäller fusionsenergi. "Jag tror att det är möjligt."
År 2025 planeras ITER-projektet i södra Frankrike för att påbörja experiment. och forskare hoppas att det kommer att vara den första fusionsmaskinen som producerar mer energi än som används för att värma plasma. Flera grupper har inriktat sig på att uppnå netto positiv fusionsenergi fram till 2050. Och ett nytt samarbete mellan MIT och ett företag som heter Commonwealth Fusion Systems meddelade att partnerna hoppas sätta kärnfusion på nätet om 15 år.
Redaktörens anmärkning: Denna berättelse uppdaterades för att notera att ljussignaler, snarare än ljusfrekvenser, konverteras till ljudsignaler.