Bliżej fuzji jądrowej. Padł rekord utrzymania wysokotemperaturowej plazmy w tokamaku
dodany przez
KopalniaWiedzy.pl, w Technologia
-
Podobna zawartość
-
przez KopalniaWiedzy.pl
Pobili rekord temperatury, obalili teorię o katastrofie entropii i wykorzystali nowy metodę spektroskopii laserowej do badania gęstej plazmy – a to wszytko podczas jednych przełomowych badań, których wyniki opisali na łamach Nature. Międzynarodowy zespół naukowców z uczelni w USA, Wielkiej Brytanii i European XFEL poinformował o podgrzaniu złota do ponad 19 000 kelwinów bez utraty jego struktury krystalicznej.
To prawdopodobnie najbardziej gorący kryształ, jaki kiedykolwiek zarejestrowano, mówi profesor Thomas White z University of Nevada. Uzyskane wyniki obalają teorię zwaną katastrofą entropii, zgodnie z którą żadne ciało stałe nie może pozostać stabilne w temperaturze trzykrotnie przekraczającej jego temperaturę topnienia. Dla złota temperatura ta wynosi 1337 kelwinów, więc zgodnie z tą teorią złoto powinno utracić strukturę krystaliczną po przekroczeniu temperatury 4000 kelwinów. Tymczasem utrzymało ją przy temperaturze 14-krotnie wyższej od temperatury topnienia.
Naukowcy rozgrzewali cienką złotą folię wykorzystując do tego celu laser, którego impuls trwał 50 biliardowych części sekundy. Wydaje się, że powodem, dla którego złoto zachowało strukturę krystaliczną jest tempo rozgrzewania. Wyniki eksperymentu sugerują, że ciała stałe mogą zachować strukturę krystaliczną przy znacznie wyższych temperaturach niż sądzono, o ile zostaną odpowiednio szybko podgrzane. To zaś niezwykle ważne spostrzeżenie dla badań nad fizyką wysokich energii czy fuzją jądrową.
Do pomiaru tak wysokiej temperatury wewnątrz złotej folii potrzebne było odpowiednie narzędzie. W roli największego termometru na świecie wykorzystaliśmy Linac Coherent Light Source, 3-kilometrowy laser generujący twarde promieniowanie rentgenowskie. To po raz pierwszy pozwoliło nam zmierzyć temperaturę wewnątrz gęstej plazmy. Wcześniej taki pomiar nie był możliwy, wyjaśnia White.
Opracowana podczas badań nowa metoda pozwoli na bezpośrednie pomiary temperatury wewnątrz plazmy powstającej w momencie implozji podczas eksperymentów z inercyjnym uwięzieniem plazmy podczas fuzji jądrowej. To z kolei powinno znakomicie zwiększyć naszą wiedzę na temat tego procesu i możliwości jego kontroli, co jest niezbędne do stworzenia praktycznych elektrowni fuzyjnych.
Niedawno White i jego zespół ponownie zaczęli wykorzystywać Linac Coherent Light Source. Tym razem prowadzą eksperymenty z gorącym skompresowanym żelazem. Chcą w ten sposób lepiej poznać warunki panujące wewnątrz planet.
Źródło: Superheating gold beyond the predicted entropy catastrophe threshold
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Na University of Queensland (UQ) prowadzone są eksperymenty nad wykorzystaniem pól magnetycznych do ochrony wchodzących w atmosferę pojazdów kosmicznych przed nadmierną temperaturą i przeciążeniami. Kluczowym elementem eksperymentów będzie zbadanie deformacji pól magnetycznych w kontakcie z gorącą plazmą. Ich celem jest zaś opracowanie technologii, która pozwoli na budowę bardziej bezpiecznych, lżejszych ich tańszych pojazdów kosmicznych.
Pojazdy kosmiczne wchodzące w atmosferę Ziemi pędzą z prędkością około 30 tys. km/h. Powietrze wokół nich staje się tak gorące, że zamienia się plazmę. Przed spłonięciem pojazdy chronione są za pomocą osłon termicznych. Celem profesora Gildfinda z UQ jest odepchnięcie tej plazmy od pojazdu za pomocą pól magnetycznych generowanych przez nadprzewodzące magnesy. To powinno znacząco zmniejszyć temperatury, jakich doświadcza pojazd wchodzący w atmosferę czy to Ziemi czy Marsa. Tym samym powrót taki będzie bezpieczniejszy, osłony termicznie nie będą musiały być tak potężne jak obecnie, pojazd stanie się więc lżejszy i tańszy. Podobnie jak cała misja związana z jego wystrzeleniem.
Dodatkową korzyścią z wykorzystania pól magnetycznych jest fakt, że gdy wywierają one nacisk na plazmę, plazma odpowiada tym samym. Pojawia się siła, która dodatkowo spowalnia opadający na planetę pojazd. W ten sposób mamy dodatkowy element hamujący. Pojawia się on wcześniej i spowolni pojazd jeszcze zanim otaczająca go kula ognia osiągnie maksymalną intensywność, a przeciążenia staną się trudne do zniesienia. A obniżenie temperatury powierzchni pojazdu oznacza, że osłony termiczne mogą być lżejsze, bez narażania na szwank bezpieczeństwa, wyjaśnia uczony.
Gildfind i jego zespół prowadzą eksperymenty w Centre for Hypersonics University of Queensland, jednym z najważniejszych środków badań nad prędkościami hipersonicznymi, definiowanymi jako prędkości co najmniej 5-krotnie większe od prędkości dźwięku. Dotychczas prowadzono niewiele badań nad deformacją pól magnetycznych przez plazmę utworzoną wokół szybko poruszającego się obiektu. Natomiast zupełnie nic nie wiadomo na temat tego, jak taka technologia sprawdziłaby się w przypadku obiektu wielkości pojazdu kosmicznego. Modele i analizy pokazują, że powinien być to znaczny efekt, ale dopóki tego nie przetestujemy, nie będziemy pewni, stwierdza uczony.
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Naukowcy od dziesięcioleci zastanawiają się, co się stało z polem magnetycznym Księżyca. Na jego istnienie w przeszłości wskazują bowiem przywiezione ze Srebrnego Globu próbki skał, wskazujące, że w przeszłości były one poddane działaniu silnego pola magnetycznego. Zaś obecnie Księżyc nie posiada globalnego pola magnetycznego. Co się więc stało z polem zarejestrowanym w skałach? Naukowcy z MIT uważają, że rozwiązali tę zagadkę.
Na łamach Science Advances opisali wyniki badań, w ramach których symulowali uderzenie w Księżyc dużego obiektu, jak asteroida. Symulacje wykazały, że w wyniku takiego zdarzenia mogła pojawić się chmura plazmy, która na krótko objęła Księżyc. Plazma taka przepłynęłaby wokół ziemskiego satelity i zgromadziła się po przeciwnej stronie do miejsca uderzania. Tam weszłaby w interakcje ze słabym polem magnetycznym Księżyca, na krótko je wzmacniając. Skały znajdujące się w miejscu nagromadzenia plazmy, zarejestrowałby ten magnetyzm.
Taka sekwencja wydarzeń wyjaśnia obecność wysoce namagnetyzowanych skał w regionie w pobliżu bieguna południowego, po niewidocznej z Ziemi stronie Księżyca. Zaś dokładnie po przeciwnej stronie od tego obszaru znajduje się Mare Imbrium, jeden z największych kraterów uderzeniowych. Badacze uważają, że to, co go utworzyło, doprowadziło też do powstania plazmy z ich symulacji.
Zagadkową obecność na Księżycu skał z zapisem silnego pola magnetycznego zauważono w latach 60. i 70. gdy misje Apollo przywiozły próbki. Pozostałości magnetyzmu, szczególnie po niewidocznej stronie Srebrnego Globu, potwierdziły też satelity. Jedna z hipotez mówi, że w przeszłości niewielkie jądro Księżyca generowało słabe pole magnetyczne. Jednak nie wyjaśnia ona, dlaczego w skałach, i to głównie po jednej stronie, pozostał zapis tak silnego magnetyzmu. Alternatywna hipoteza mówi o wielkim uderzeniu, w wyniku którego powstała chmura plazmy.
W 2020 roku współautorzy obecnych badań, Rona Oran i Benjamin Weiss, sprawdzili, czy takie uderzenie mogło na tyle wzmocnić słoneczne pole magnetyczne wokół Księżyca, by pozostał zapis w skałach. Okazało się, że nie mogło, co wydawało się wykluczać ten scenariusz.
Na potrzeby obecnych badań uczeni przyjęli inne kryteria. Założyli, że Księżyc posiadał w przeszłości dynamo magnetyczne. Biorąc pod uwagę rozmiary księżycowego jądra pole to musiało być słabe. Oszacowano je na 1 mikroteslę, czyli 50-krotnie mniej niż pole magnetyczne Ziemi. Następnie za pomocą jednego narzędzia przeprowadzili symulację uderzenia oraz powstałej plazmy, drugie zaś narzędzie pokazało, w jaki sposób taka plazma by się przemieszczała i wchodziła w interakcje z polem magnetycznym Księżyca. Wynika z nich, że doszłoby do utworzenia się i przepływu plazmy oraz wzmocnienia pola magnetycznego, ale byłby to proces bardzo szybki. Od momentu wzmocnienia pola do chwili jego powrotu do wartości początkowej minęłoby zaledwie 40 minut.
Postało więc pytanie, czy tak krótkie oddziaływanie pola pozostawiłoby zapis w skałach. Okazuje się, że tak, za pomocą dodatkowego zjawiska. Z badań wynika, że tak duże uderzenie, jakie utworzyło Mare Imbrium, spowodowałoby powstanie fali uderzeniowej, która skupiłaby się po przeciwnej stronie i doprowadziłaby do tymczasowego zaburzenia elektronów w skałach.
Naukowcy podejrzewają, że do zaburzenia tego doszło w momencie, gdy plazma wzmocniła pole magnetyczne. Gdy więc elektrony wróciły do stanu równowagi, ich spiny przyjęły orientację zgodną z chwilowo silnym polem magnetycznym. Jeśli rzucisz w powietrze w polu magnetycznym talię kart i każda z kart będzie wyposażone w igłę od kompasu, to gdy karty upadną na ziemię, będą zorientowane w inną stronę, niż przed wyrzuceniem. Tak właśnie działa ten proces, wyjaśnia obrazowo Weiss.
Źródło: Impact plasma amplification of the ancient lunar dynamo
« powrót do artykułu -
przez KopalniaWiedzy.pl
Fuzja jądrowa to obietnica czystego, bezpiecznego i praktycznie nieskończonego źródła energii. Badania nad nią trwają od dziesięcioleci i nic nie wskazuje na to, byśmy w najbliższym czasie mogli zastosować ją w praktyce. Naukowcy dokonują powolnych, mniejszych lub większych, kroków na przód w kierunku jej opanowania. Uczeni z University of Texas, Los Alamos National Laboratory i Type One Energy Group rozwiązali właśnie poważny problem, który od 70 lat nękał jeden z rodzajów reaktorów fuzyjnych – stellaratory – spowalniając prace nad nimi. Jego rozwiązanie przyda się również w udoskonaleniu tokamaków, innego – znacznie bardziej popularnego – projektu reaktora fuzyjnego.
Jednym z poważnych wyzwań stojących przed wykorzystaniem w praktyce fuzji jądrowej jest utrzymanie wysokoenergetycznych cząstek wewnątrz reaktora. Gdy takie wysokoenergetyczne cząstki alfa wyciekają, uniemożliwia to uzyskanie wystarczająco gorącej i gęstej plazmy, niezbędnej do podtrzymania reakcji. Inżynierowie opracowali złożone metody zapobiegania wyciekom za pomocą pól magnetycznych, jednak w polach takich występują luki, a przewidzenie ich lokalizacji i zapobieżenie im wymaga olbrzymich mocy obliczeniowych i wiele czasu.
Na łamach Physical Review Letters ukazał się artykuł, w którym wspomniani wcześniej naukowcy informują o opracowaniu metody 10-krotnie szybszego przewidywania miejsc pojawiania się luk, bez poświęcania dokładności.
Rozwiązaliśmy problem, który był nierozwiązany od 70 lat. Będzie to znaczący przełom w sposobie projektowania reaktorów, mówi profesor Josh Burry z University of Texas. W stellaratorach wykorzystywany jest układ cewek, za pomocą których generowane są pola magnetyczne. Nazywany jest on „magnetyczną butelką”. Miejsca występowania dziur w magnetycznej butelce można precyzyjnie przewidywać korzystając z zasad dynamiki Newtona. Jednak działanie takie wymaga olbrzymich ilości czasu i wielkich mocy obliczeniowych. Co więcej, by zaprojektować stellarator idealny konieczna byłaby symulacja setek tysięcy różnych projektów i stopniowe dostosowywanie do każdego z nich układu magnetycznej butelki.
By więc oszczędzić czas i pieniądze podczas obliczeń standardowo używa się teorii perturbacji, która daje wyniki przybliżone. Są one jednak znacznie mniej dokładne. Autorzy najnowszych badań podeszli do problemu w inny sposób, wykorzystując teorię symetrii.
Obecnie nie ma innego niż nasz teoretycznego sposobu na rozwiązanie kwestii uwięzienia cząstek alfa. Bezpośrednie zastosowanie zasad dynamiki Newtona jest zbyt kosztowne, a teoria perturbacji związana jest z poważnymi błędami. Nasza teoria jest pierwszą, która radzi sobie z tymi ograniczeniami, dodaje Burry.
Co więcej, nowa praca może pomóc też w rozwiązaniu podobnego, ale innego problemu występującego w tokamakach. W nich z kolei problemem są wysokoenergetyczne elektrony, które dziurawią osłony reaktora. Nowa metoda może pozwolić na zidentyfikowanie luk w polach magnetycznych, przez które elektrony wyciekają.
« powrót do artykułu
-
-
Ostatnio przeglądający 0 użytkowników
Brak zarejestrowanych użytkowników przeglądających tę stronę.