Northern Lights 'Physics Kunne Hjælpe I Nuklear Fusion

{h1}

Aurora er ikke bare smuk. Det kan medvirke til at skabe nuklear fusion i laboratoriet.

Aurora er mere end blot en betagende lysdisplay. Det kan også holde hemmeligheden bag et magnetisk fænomen relateret til den nukleare fusion, der driver solen. Denne hemmelighed kan endda bidrage til at skabe nuklear fusion i laboratoriet, siger et team af forskere.

Nuklear fusion er en reaktion, der kombinerer kernerne af to atomer i en. Processen styrker stjerner, men at få en selvbærende fusionsreaktion på jorden er meget vanskelig, og har hidtil uudviklet forskere. For eksempel lavede forskere i Lawrence Livermore Laboratory i Californien i februar overskrifter, da de formåede at anspore en fusionsreaktion, der spiste mindre brændstof, end det producerede. Men den overordnede proces med at udløse reaktionen tog stadig mere energi end genereret.

Nu håber et team af forskere fra University of Michigan og Princeton University, at udførelsen af ​​fusionsforsøg kan forbedres ved at undersøge dynamikken i magnetfelter observeret under Aurora. [Video: Behovet for fusionsenergi]

Enestående fusion

For at udløse en fusionsreaktion på Jorden, skal man komprimere brændstoffet (typisk lige blandinger af deuterium og tritium, der er to isotoper af hydrogenatomet) til en temperatur og densitet svarende til den i en kerne af en stjerne. Hvis hydrogenbrændet holdes tilstrækkeligt langsomt under disse meget specifikke forhold, bliver den overophedede gas en "suppe" af frit bevægelige ladede partikler kaldet plasma. I denne tilstand begynder hydrogenet at smelte ind i energisk helium. Det er sådan, at unge stjerner brænder ved at bruge hydrogen komprimeret af stjernernes egen tyngdekraft. Da fusionsanordninger bliver større og plasmaet i dem bliver varmere og mere komprimeret, er der håb om en dag at nå "tænding" - det punkt, hvor plasmaet opvarmer sig uden ekstern indgang.

En anden galaktisk proces kan hjælpe med at indvarsle sammen med jakten på jordbunden fusion. Da solens plasma virvler rundt, genererer stoffet et stærkt magnetfelt. Nogle gange er dette felt så stærkt stresset, at dets feltlinier tvinges sammen, hvorefter solen frigiver en enorm mængde energi i rummet, kendt som en solflare. Til tider eksploderer flaren lige i retning af Jorden og sender en strøm af højt ladede solpartikler til planeten.

Når solpartiklerne nærmer sig Jorden, forvrænger de dens magnetfelt, hvilket gør det muligt for nogle ladede partikler at komme ind i atmosfæren i Nord- og Sydpolen. Da partiklerne interagerer med gasser i jordens atmosfære, begynder disse gasser at gløde. I nord er dette kendt som Aurora Borealis, eller Northern Lights. De sydlige lys, der ses på den sydlige halvkugle, hedder Aurora Australis. [Galleri: Billeder af smukke Auroras]

Hvis denne solvind er særlig stærk, kan det medføre, at planetens magnetfelt linjer afbrydes fra jorden. Så efter at have flyttet omkring en tredjedel af vejen fra jorden til månen, forbinder disse linjer igen og klikker tilbage på plads. I processen slyngede de solpartikler mod jordens atmosfære og udløste Aurora. Denne brydning og genopkobling af modsatrettede magnetfeltlinjer kaldes magnetisk genkobling. I øvrigt mener forskere også, at magnetisk genforbindelse bevirker solfangerne selv.

Med aurora borealis forekommer f.eks. Nordlyset normalt i nærheden af ​​Nordpolen, men jo mere magnetfeltlinjerne afbrydes og snapper tilbage, jo længere mod syd kan lysene fremstå.

Imidlertid sker magnetisk rekontering også på en meget mindre skala under nuklear fusion i laboratoriet. Og det er denne proces, der kunne hjælpe med at gøre nuklear fusion energieffektiv, rapporterede forskere den 14. marts i tidsskriftet Physical Review Letters.

Komprimering af pellets

For at udløse fusion på jorden komprimere forskerne en pellet af hydrogenisotoper ved hjælp af kraftige lasere, indtil brændstoffet når en lignende tæthed og temperatur som den i en stjerne.

Problemet er imidlertid, at det at styre en laser på en brændstofpellet ikke komprimerer det ensartet overhovedet; i stedet bliver pelleten deformeret.

"Det er meget svært at presse pellet ned ensartet. Det komprimerer bare ikke ned til en flot, glat kugle," sagde Alexander Thomas fra University of Michigan, som er medforfatter på det nye papir. "Og hvis det ikke er glat og ensartet, vil det ikke opnå den tilstrækkelige temperatur og tæthed for at få brændstoffet til at brænde helt, og du vil ende med at lægge meget mere laser energi end mængden af ​​fusionsenergi du kommer ud."

For at løse dette problem placerer moderne fusionsfaciliteter pellet inde i en metalbeholder. Laserstrålerne er beregnet til at opvarme beholderens indre vægge, hvilket udløser et intens brusebad af røntgenstråler, der er beregnet til at opvarme pelleten ensartet.

I teorien skal dette komprimere brændstoffet i en glat, ensartet kugle. Men det virker ikke, sagde Thomas.

"Det sker af forskellige årsager, blandt andet fordi laserne også genererer meget stærke magnetfelter - omkring 100 Tesla - på den indre overflade af beholderen. De virker som en barriere, der forhindrer varmen i at sprede sig ensartet," sagde Thomas. (Tesla er en måling af magnetfeltstyrke.) "Det er som om hver laser producerede en" plet "på hulrummet, hvilket gør den endelige temperaturfordeling" spotty "og pelleten presses ind i en klump, ikke en flot kugle. "

Fjerner spottiness

Thomas og hans kolleger foreslår nu, at nøglen til at anvende varme ensartet kan være magnetisk genopkobling.

"Omkring hver laserplacering" på beholderen er der selvfremkaldte, spontane magnetfelter i plasmaet, og vores plan er at få disse felter til at snappe væk og derefter genoprette forbindelsen, "sagde Thomas. [Twisted Physics: 7 Mind-Blowing Findings]

Breaking og reconnecting de magnetiske felter ville ændre plasmaets form og omdirigere strømmen af ​​elektroner, der bærer den termiske energi, spredning af varmen mere ensartet.

Forskerne brugte en computer til at simulere den magnetiske genopkoblingsproces i plasmaet ved to nabostatiske laser-hotspots.

Simulationerne viste, at "de magnetiske felter kan skubbes rundt af varmeflader, og omkørslen af ​​felterne kan drives af disse strømme", siger Will Fox, en af ​​forskerne fra Princeton Plasma Physics Laboratory.

I øjeblikket ved forskerne stadig ikke præcist, hvordan man gør denne tilslutning mest effektiv, fordi "vi er på et så tidligt stadium af forståelse [processen]. Og undersøgelsen var ikke et udtømmende blik på alle variablerne, bare en første demonstration om, at denne proces kan forekomme, "sagde Fox til WordsSideKick.com.

Scott Wilks, en plasmafysiker, der ikke var involveret i undersøgelsen, og som arbejder på Lawrence Livermore National Laboratory, kalder resultaterne vigtige.

"Afhængigt af, hvordan overlappede laserstråler er på væggen, ville denne teori være et godt sted at starte for at begynde at forklare disse observerede magnetfelter. Typisk tror folk, at du vil have den glateste laserstrålefordeling over hele væggen til den bedste symmetri. Mange gange er der simpelthen ikke nok laserstråler til at gøre dette. Dette papir indebærer, at der kan være alternative laserstrålekonfigurationer for at opnå dette ved at udnytte magnetisk genopkobling, "forklarede Wilks WordsSideKick.com.

Der er flere begrænsninger forbundet med de nuværende simuleringer, men tilføjede han. Disse omfatter den lille systemstørrelse, modelleringen af ​​gange kortere end det egentlige eksperiment og partiklernes manglende evne til at bevæge sig i alle tre dimensioner i simuleringsboksen.

"Imidlertid vil fremtidige computere med mere hukommelse og hurtigere beregningshastigheder tillade forskerne at undersøge, om denne effekt spiller en vigtig rolle i aktuelle fusionsrelaterede eksperimenter," sagde Wilks.

Google+. Følg os @wordssidekick, Facebook & Google+. Originalartikel om WordsSideKick.com. Følg forfatteren på Twitter @SciTech_Cat


Video Supplement: Genetic Engineering Will Change Everything Forever – CRISPR.




DA.WordsSideKick.com
All Rights Reserved!
Reproduktion Af Materialer Tilladt Kun Prostanovkoy Aktivt Link Til Webstedet DA.WordsSideKick.com

© 2005–2019 DA.WordsSideKick.com