《美国能源部推进普林斯顿等离子物理实验室旗舰设施诊断》

  • 来源专题:重大科技基础设施领域知识集成服务平台
  • 编译者: 魏韧
  • 发布时间:2021-03-16
  • 美国能源部(DOE)提供2100万美元用于安装和操作普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)核聚变设备上的新型科学仪器。DOE表示,为期五年的资助将用于对国家球形托卡马克实验升级(NSTX-U)进行最先进的诊断,其目标着眼于探究关键物理问题,验证复杂的计算机模型,并为下一阶段聚变能源研究发展指明方向。来自美国10个机构的专家参与该工作。该设施正处于维修阶段,预计维修将持续到2021年5月,最晚到2022年7月。
    NSTX-U是一种球形托卡马克,为聚变反应提供燃料。研究表明,相比于传统托卡马克,NSTX-U可在反应器条件下更好地限制等离子体能量。
    普林斯顿大学机械与航空航天工程系的助理教授Egemen Kolemen领导团队为PPPL开发仪器,他计划开发Thomson散射系统,使其能够探测并实时控制NSTX-U上为核聚变反应提供燃料的等离子体的温度和相关关键特性。对球形托克马克的研究不仅为下一步设备的设计提供信息,而且可能为未来的聚变反应堆提供紧凑的设计路径。
    资金来源于NSTX-U的五年计划,计划列出了需要进行的等离子体测量工作以及实现这些测量所需的时间。
    近年来,聚变能研究中最重要的发展之一就是越来越多地使用复杂的计算机建模和仿真,以更好地了解等离子体的行为和聚变反应堆的运行。验证这些模型需要开发更复杂的诊断设备,这一计划将为此做出重大贡献。

  • 原文来源:https://www.pppl.gov/news/2020/09/doe-provides-21-million-advance-diagnostics-flagship-facility-pppl
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    • 编译者:魏韧
    • 发布时间:2021-03-16
    • 二十多年来,威斯康星大学麦迪逊分校的工程师们开展Pegasus实验,推进聚变能源领域发展。目前,该项目正在改造升级,以期在美国能源部聚变能源科学办公室支持的国家聚变研究项目中发挥更大的作用。这项研究的最终目标是帮助降低未来聚变反应堆的成本和复杂性,提供丰富的清洁能源。 美国能源部向Pegasus聚变研究计划提供790万美元拨款和其他资助,使该计划的预算增加了一倍多。首席研究员Ray Fonck和他的团队将增加工作人员,并重新配置退役的Pegasus环形实验,将其转换为功能更强大的设施,并扩大科学计划。 这个实验称为Pegasus-III,全面升级的设施将提供一个美国专用的平台,研究启动等离子体的创新技术。它将成为国家聚变计划的一个独家组成部分,重点关注一个问题,即用强电流启动等离子体的最佳方法。从某种意义上说,他们正在致力于提供点燃未来反应堆中的聚变之火的方法。 Pegasus-III实验由一个紧凑的环状的托克马克组成,用来容纳非常高温的等离子体。世界上几乎每一个托卡马克式的聚变反应堆都使用磁感应技术驱动产生等离子体电流。然而,磁感应有其局限性——特别是在近似球形或紧凑的托卡马克中。它们的形状像一个有核的苹果,中心有一个小孔,而磁感应中心没有空间,因此紧凑型、球形托卡马克必须解决如何在没有磁感应的情况下启动兆安培电流的问题,这一问题已经被列入清单长达15到20年。即使是标准的大型托卡马克反应堆,如果能消除典型的感应磁铁(typical induction magnet),也将降低成本和复杂性。 包括Fonck在内的许多研究小组都在这一领域取得了部分进展,但还没有明确的成功者。现在,Pegasus-III实验成为国家聚变研究计划的比较试验场,研究人员将测试少数几个最有潜力的概念。他们最终将在美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的大型国家实验中实施最佳解决方案。 美国能源部的资助将提供磁场提高4倍的新磁线圈,提供高达250兆瓦脉冲电力的新电力系统、新的控制系统、新的加热系统和新的控制室,还将实现新的关键诊断功能。 华盛顿大学参与合作,提供另外的等离子体触发技术,其他的合作方还包括橡树岭国家实验室和普林斯顿实验室。 Pegasus-III的升级诊断技术使研究人员能够更多地了解等离子体中发生的事情。一个重要的能力是测量离子活性的能力。 考虑到不使用磁感应时电流的形成方式,他们使用了磁重联的过程。基本上打破磁场线的过程会加热离子,观察它们可以了解等离子体的许多细节以及驱动电流的过程。 与世界上其他大型托卡马克实验不同,实验中缺少等离子体磁感应启动的传统工具——螺线管中央磁感应器。这需要一些新的启动技术组合可靠地工作,使得研究项目更具风险性,也更令人兴奋。 一种新的无线电波系统将取代螺线管磁铁,完成维护等离子体电流的任务,新的实验还将包括诊断确定无线电波如何帮助驱动产生电流。 Pegasus升级的工作已经开始,但由于新冠肺炎疫情,目前建造活动被搁置。工作人员和学生们正在远程继续他们的设计、采购和项目协调工作,同时为未来的设施建造工作做准备。
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    • 编译者:张欣
    • 发布时间:2024-07-05
    • 9月29日,美国能源部(DOE)宣布未来4年投入2.64亿美元,推进基础研究以解决实现能源攻关计划面临的关键科学挑战。该笔资助将支持由DOE国家实验室主导的11个能源攻关计划研究中心(EERC)和18个由大学研究团队主导的前沿交叉领域研究项目。详情如下: 1、能源攻关计划研究中心 投入1.95亿美元支持8个国家实验室建设11个EERC,解决2023年前启动的6个能源攻关计划的基础研究挑战。具体包括: (1)氢能。①离聚物水电解研究中心(CIWE),由劳伦斯伯克利国家实验室主导,通过分析离子导电聚合物(离聚物)在低温电解中的应用以改善制氢,将结合先进的表征和建模,从根本上了解离聚物界面形态和化学性质如何影响电解槽的耐用性和效率;②等离子体增强制氢科学中心(PEHPr),由普林斯顿等离子体物理实验室主导,将增进对等离子体和等离子体-表面相互作用中的能量流动和化学的基本理解,并可通过开发高效等离子体介导的催化过程,推进清洁制氢的范式转变。 (2)长时储能。电热储能降解反应研究中心(DEGREES),由国家可再生能源实验室主导,将耦合理论、先进计算工具和新颖表征方法,增进对储热材料降解的理解,控制降解和不稳定性,设计耐用且高强度的改进材料。 (3)负碳技术。①精准生物策略土壤固碳研究中心(RESTOR-C),由劳伦斯伯克利国家实验室主导,将应用领先的分子和计算方法来增加植物对碳的吸收,促进向土壤的运输,并在农业系统中提高其在土壤中的持久性;②仿地成形土壤研究中心,由劳伦斯利弗莫尔国家实验室主导,将通过基因编辑植物和微生物加速碳固存,研究促进土壤矿物-有机物相互作用的策略,开发预测土壤小孔隙中碳耐久性的模型,对可增加土壤碳去除的地点进行区域范围估算。 (4)增强型地热(EGS)。①水泥基复合材料耦合化学力学中心(C4M),由布鲁克海文国家实验室主导,阐明和控制用于增强地热系统的可持续复合材料的化学变化和机械性能,以推动地热能发展;②地下信号和渗透率研究中心(CUSSP),由西北太平洋国家实验室主导,将开发预测和控制流体通过增强型地热系统裂隙网络的能力,了解流体与受压热岩的相互作用随时间改变流动行为的机理,并研究如何通过先进实时传感工具远程监控这些变化。 (5)浮动式海上风电。①浮动式海上风电研究中心,由西北太平洋国家实验室主导,将发展对气象和海洋条件关键现象的新认识,并利用机器学习迅速推进浮动海上风力涡轮机和发电场的设计、控制及与电网的整合;②浮动式海上风电建模与仿真中心,由国家可再生能源实验室主导,将建立下一代数据驱动的替代模型,增进对浮动式海上风能系统的认知,包括气候变化对海上风力资源的影响、浮动式风电场的物理原理和涡轮机尾流动力学,以及风力涡轮机在运行和极端事件期间的载荷和动力学。 (6)工业供热。①电合成炼钢电气化研究中心(C-STEEL),由阿贡国家实验室承担,将探索电化学炼铁技术,克服电沉积制备纯铁的基础科学挑战;②高效反应非平衡能量传递中心(NEETER),由橡树岭国家实验室承担,重点研究利用电气化过程取代大量稳态供热过程,利用非平衡化学过程中的瞬态温度和压力条件,遵循具有高能量效率和原子效率的非常规反应途径,实现工业供热的电气化以降低排放。 2、能源攻关计划科学基金 投入6910万美元支持18个大学主导的前沿跨学科研究项目,包括:①氢弧等离子体高效无碳炼钢基础研究(亚利桑那州立大学);②用于清洁能源系统弹性和风险降低的百亿亿次模拟、观察和深度学习混合框架(加州理工学院);③储热材料和复合材料中的热化学机械转变研究(佐治亚理工学院);④电催化的原子级组成复杂性研究(佐治亚州立大学);⑤极端数据条件下的学习简化模型,用于复杂系统的设计和快速决策(纽约大学);⑥利用解构木质素废料和木质素价值化过程中捕集的二氧化碳合成生物油,开发工业平台化学品丙烯的生物路线(俄亥俄州立大学);⑦可再生能源弹性优化中心(加州大学洛杉矶分校);⑧解决根际影响土壤碳循环的悖论(加州大学圣克鲁斯分校);⑨工程孢粉素及其碳供应(佛罗里达大学);⑩基于高性能计算的能源系统模拟(夏威夷大学);11使用快速和模块化组装进行多孔框架的设计、发现和合成科学(伊利诺伊大学芝加哥分校);12新型液流电池开发(伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校);13界面电催化环境的分子和原子工程(明尼苏达大学);14用于控制脆性地壳中裂隙网络生成的基于过程的实验和机器学习方法(内华达大学里诺分校);15双极板-隔膜电化学系统中的质子和离子管理(宾夕法尼亚大学);16跨尺度地下能源系统的先进多物理机器学习(德克萨斯大学埃尔帕索分校);17利用光合作用和固氮作用生产富氮化合物(华盛顿大学);18碳去除及高性能计算(耶鲁大学)。 (信息来源:中国科学院武汉文献情报中心)