PPPL 物理学家因两个聚变项目而获奖

PPPL 物理学家因两个聚变项目而获奖

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图片:PPPL 物理学家 Stefano Munaretto
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图片由 Kiran Sudarsanan / PPPL Office of Communications 提供

美国能源部 (DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的物理学家 Stefano Munaretto 曾在两个 DOE 三年奖中担任领导职务。 两者都旨在改进用于设计和评估球形托卡马克性能的模型,这种紧凑型聚变设施正在被探索为未来聚变发电厂的可能设计。 研究人员希望开发出可应用于其他具有高磁场的紧凑型托卡马克和各种聚变设施的模型。

聚变是驱动太阳和恒星的动力,它以等离子体的形式结合轻元素——由自由电子和原子核组成的物质的热、带电状态——产生大量能量。 科学家们正在寻求在地球上复制聚变,以获得几乎用之不竭的电力供应来发电。

模拟临界热流

第一个奖项资助了 PPPL 和美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 的努力,以开发软件工具,让科学家能够模拟来自聚变等离子体的临界热流。 Munaretto 将领导这项工作,将使用联邦聚变系统 (CFS) 与麻省理工学院 (MIT) 合作开发的高场 SPARC 托卡马克的工程设计和等离子体场景细节进行。

这笔资金旨在提高等离子体模拟的准确性,并帮助科学家定制不同形状的托卡马克的操作,以尽可能提高效率。 “在 PPPL 的 National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) 等紧凑型球形托卡马克中,它们的形状像有核的苹果,我们正试图制造与更大、更传统的托卡马克中的等离子体一样强大的等离子体,它们看起来更像甜甜圈, ”穆纳雷托说。

“球形空间更加紧凑。 因此,我们将利用这笔赠款开发一些工具,以便快速评估典型不规则或 3D 磁场的特征以及它们如何影响热通量。 这种速度可以让软件在设计新的托卡马克和组件时提出有助于机器操作和帮助工程师的更改建议。”

该项目预计将建立在由美国能源部橡树岭国家实验室 (ORNL) 和田纳西-诺克斯维尔大学为 NSTX-U 完成的 HEAT 代码的原始开发之上。 HEAT 的主要贡献者,现在是在 SPARC 工作的 CFS 员工,将为 PPPL/ORNL 团队做出贡献。

等离子体在整个托卡马克中盘旋时表现不均匀,因为形成和限制等离子体的磁场在所有位置都不相同。 一些不规则的出现是由于机器结构的轻微不精确造成的。 其他的则是由科学家仅对等离子体的一个区域施加磁场以防止称为边缘局部模式 (ELM) 的喷发损坏机器造成的。

“这个项目代表了 PPPL 和 CFS 之间的一项重要的新合作,”PPPL 托卡马克实验科学负责人 Rajesh Maingi 说。 “由此产生的代码不仅适用于 NSTX-U,还适用于球形托卡马克试验工厂和反应堆设计。”

首席研究员

第二个奖项涉及 PPPL 和 General Atomics,后者在圣地亚哥为 DOE 运营 DIII-D 托卡马克。 Munaretto 是该研究 PPPL 方面的首席研究员,该研究要求在英国的兆安培球形托卡马克升级 (MAST-U) 上进行实验。

这些实验将专注于准确测量磁场如何影响等离子体。 “这项研究很重要,因为它涉及球形托卡马克和 ITER,”穆纳雷托说。 “我们将使用不同形状的 3D 场来查看每个场如何影响等离子体。 某些形状可能会更好地抑制 ELM,因此可以帮助托卡马克更有效地运行。”

“虽然第一个奖项是为未来的聚变机器开发工具,但第二个奖项涉及进行实验以观察 3D 场如何影响等离子体,”Munaretto 说。

Maingi 补充道:“对于任何科学家来说,从一次资助机会公告中赢得两个奖项都是一项了不起的成就,尤其是最近加入新机构的早期职业科学家。 PPPL 非常幸运 Stefano 加入了 NSTX-U 团队!”

对于穆纳雷托来说,“这是一次新的冒险。 这很令人兴奋,我很期待。”

为期三年的 PPPL 奖励总额为 150 万美元用于 SPARC 研究,195,000 美元用于 MAST-U 实验。

位于新泽西州普莱恩斯伯勒的普林斯顿大学 Forrestal 校区的 PPPL 致力于创造关于等离子体(超热、带电气体)物理学的新知识,并为创造聚变能开发实用的解决方案。 该实验室由美国能源部科学办公室管理,该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者,致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。 如需更多信息,请访问 https://energy.gov/science


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