Fysikere undersøger en ny opskrift på opvarmning af plasma

I jagten på fusionsenergi, forskere har brugt årtier på at eksperimentere med måder at gøre plasmabrændstof varmt og tæt nok til at generere betydelig fusionskraft. På MIT, forskere har fokuseret deres opmærksomhed på at bruge radiofrekvens (RF) opvarmning i magnetiske indeslutningsfusionsforsøg som Alcator C-Mod tokamak, som afsluttede sit sidste løb i september 2016.

Nu, ved hjælp af data fra C-Mod eksperimenter, fusionsforskere ved MIT's Plasma Science and Fusion Center (PSFC), sammen med kolleger i Belgien og Storbritannien, har skabt en ny metode til opvarmning af fusionsplasmaer i tokamaks. Den nye metode har resulteret i stigning af spormængder af ioner til megaelektronvolt (MeV) energier - en størrelsesorden større end tidligere opnået.

"Disse højere energiområder er i samme område som aktiverede fusionsprodukter, "PSFC-forsker John C. Wright forklarer." At være i stand til at skabe sådanne energiske ioner i en ikke-aktiveret enhed-uden at lave en stor mængde fusion-er fordelagtigt, fordi vi kan studere, hvordan ioner med energier, der kan sammenlignes med fusionsreaktionsprodukter opfører sig, hvor godt de ville være begrænset. "

Den nye tilgang, for nylig beskrevet i journalen Naturfysik , bruger et brændstof sammensat af tre ionarter:brint, deuterium, og spormængder (mindre end 1 procent) helium-3. Typisk, plasma, der bruges til fusionsforskning i laboratoriet, ville bestå af to ionarter, deuterium og hydrogen eller deuterium og He-3, med deuterium, der dominerer blandingen med op til 95 procent. Forskere fokuserer energi på minoritetsarterne, som varmer op til meget højere energier på grund af sin mindre brøkdel af den samlede tæthed. I den nye ordning med tre arter, al RF-energi absorberes af blot en spormængde af He-3, og ionenergien øges endnu mere-til rækkevidden af ​​aktiverede fusionsprodukter.

Wright blev inspireret til at fortsætte denne forskning efter at have deltaget i et foredrag i 2015 om dette scenario af Yevgen Kazakov, en forsker ved laboratoriet for plasmafysik i Bruxelles, Belgien, og hovedforfatteren af ​​Nature Physics -artiklen. Wright foreslog, at MIT testede disse ideer ved hjælp af Alcator C-Mod, med Kazakov og hans kollega Jef Ongena, der samarbejder fra Bruxelles.

På MIT, PSFC -forsker Stephen Wukitch hjalp med at udvikle scenariet og køre eksperimentet, mens professor Miklos Porkolab bidrog med sin ekspertise inden for RF -opvarmning. Forskningsforsker Yijun Lin var i stand til at måle den komplekse bølgestruktur i plasmaet med PSFCs unikke fasekontrastbilleddiagnostik (PCI), som blev udviklet i løbet af de sidste to årtier af Porkolab og hans kandidatstuderende. Forskningsforsker Ted Golfinopoulos støttede eksperimentet ved at spore effekten af ​​MeV-rækkeioner på målinger af plasmasvingninger.

De vellykkede resultater på C-Mod gav et principbevis, nok til at få forskere fra Storbritanniens Joint European Torus (JET), Europas største fusionsenhed, interesseret i at gengive resultaterne. Ligesom JET, C-Mod drives med magnetfeltstyrke og plastryk, der kan sammenlignes med, hvad der ville være nødvendigt i en fremtidig fusionskompatibel enhed. De to tokamaks havde også komplementære diagnostiske muligheder, gør det muligt for C-Mod at måle de bølger, der er involveret i den komplekse bølge-partikelinteraktion, mens JET var i stand til direkte at måle partiklerne i MeV-området.

John Wright roser samarbejdet.

"JET -folkene havde virkelig god energisk partikeldiagnostik, så de direkte kunne måle disse højenergionioner og kontrollere, at de virkelig var der, "siger han." Det faktum, at vi havde realiseret en grundlæggende teori på to forskellige enheder på to kontinenter, kom sammen for at producere et stærkt papir. "

Porkolab foreslår, at den nye tilgang kunne være nyttig for MIT's samarbejde med Wendelstein 7-X-stjernestatoren ved Max Planck Institute for Plasma Physics i Greifswald, Tyskland, hvor der forskes i et af de grundlæggende fysiske spørgsmål:Hvor godt er fusionsrelevante energetiske ioner begrænset. Nature Physics-artiklen bemærker også, at eksperimenterne kunne give indsigt i den rigelige strøm af He-3-ioner, der er observeret i solblusser.