Nyt feedback system kunne muliggøre større kontrol over fusionsplasma

Som en keramiker, der former ler, mens det snurrer på et hjul, fysikere bruger magnetfelter og kraftige partikelstråler til at styre og forme plasmaet, når det vrider og drejer gennem en fusionsenhed. Nu har en fysiker skabt et nyt system, der lader forskere styre plasmaets energi og rotation i realtid i en donutformet maskine kendt som en tokamak.

"Når man designer fusionsmaskiner, det bliver mere og mere vigtigt at bruge kontrolsystemer og modelleringsteknikker taget fra verden inden for luftfartsteknik, "sagde Imène Goumiri, forskeren, der ledede arbejdet. "Det nye er, at disse værktøjer nu er blevet anvendt på plasmafysiske problemer; det er det, der gør denne forskning unik." Goumiri var en doktorgradsstuderende ved Princeton University, som forskede ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og nu er fysiker ved University of Wisconsin-Madison.

Goumiris system, kendt som en feedback-controller, omfatter sensorer inden for tokamak, der er knyttet til en computeralgoritme, der fortolker de data, sensorerne indsamler. Algoritmen aktiverer seks stråler af neutrale partikler, der opvarmer og drejer plasmaet inde i tokamak og aktiverer seks rektangulære magnetiske spoler placeret omkring maskinens ydre. "Det er første gang, at disse to aktuatorer er blevet brugt sammen til at styre plasmarotationsprofilen, "sagde Steven Sabbagh, en senior forsker og adjungeret professor i anvendt fysik ved Columbia University, der har samarbejdet med PPPL i 27 år og var en af ​​papirets medforfattere.

Ved at styre rotation, fysikere kan forhindre ustabilitet i at forringe magnetfeltet og lade plasmaet forsvinde, lukning af fusionsreaktionerne.

Forskere designede algoritmen til National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), som har et forbedret neutralt strålesystem, der påvirker plasmarotationen ved at kollidere med plasmas ladede partikler og overføre momentum. Systemet har to emittere med tre neutrale strålekilder hver. Den ene emitter retter sig mod plasmaets kerne, mens den anden retter mod kanten for at udøve gearing over plasmaet som helhed. Et fleksibelt magnetsystem giver fysikere mulighed for yderligere at kontrollere plasmarotationsfordelingen. Generelt, algoritmen bruger de magnetiske spoler og de neutrale stråleemittere i forskellige kombinationer til at ændre, hvordan forskellige områder af plasmaet roterer.

Algoritmen balancerer også virkningerne af magneterne og de neutrale stråler for at sikre, at det samlede plasma ikke rykker nogenlunde fra en hastighed til en anden. Målet er at opnå en bestemt mængde plasmavarme, eller lagret energi, sammen med den ønskede plasmarotation - en innovation, som en tidligere version af algoritmen manglede.

Goumiri og teamet testede den nye controller-algoritme på en simuleret tokamak skabt af computerkoden TRANSP, et PPPL-designet program, der bruges til forskning i magnetisk fusion rundt om i verden. Testen viste, at algoritmen kunne modificere både plasmaets rotationsprofil og lagrede energi på måder, der ville øge plasmaets stabilitet.

I fremtiden, Goumiri håber at teste sin controller-algoritme på NSTX-U. Når den er i drift, de erfaringer, fysikerne lærer af at bruge algoritmen, kan påvirke designet af fremtidige fusionsreaktorer. Sådanne reaktorer vil have mere end én algoritme til at styre plasmarotation, elektrisk strøm, og plasmaets form. Fremtidig forskning bliver nødt til at fokusere på, hvordan alle controllere fungerer sammen, og at designe et globalt system, der vil tillade controllerne at fungere harmonisk.

Denne forskning blev offentliggjort i februar 2017 i onlineversionen af Plasmas fysik og blev finansieret af DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).