Fysikere foreslår en ny måde at stabilisere næste generations fusionsplasmaer på

Et centralt problem for næste generations fusionsreaktorer er den mulige indvirkning af mange ustabile Alfvén egenmoder, bølgelignende forstyrrelser frembragt af fusionsreaktionerne, der risler gennem plasmaet i donutformede fusionsfaciliteter kaldet "tokamaks". Deuterium og tritium brændstof reagerer ved opvarmning til temperaturer nær 100 millioner grader Celsius, producerer høj-energi heliumioner kaldet alfa-partikler, der opvarmer plasmaet og opretholder fusionsreaktionerne.

Disse alfapartikler er endnu varmere end brændstoffet og har så meget energi, at de kan drive Alfvén egenmodes, der tillader partiklerne at slippe ud af reaktionskammeret, før de kan opvarme plasmaet. At forstå disse bølger, og hvordan de hjælper alfapartikler med at flygte, er et centralt forskningsemne inden for fusionsvidenskab.

Hvis kun en eller to af disse bølger er spændt i reaktionskammeret, virkningen på alfapartiklerne og deres evne til at opvarme brændstoffet er begrænset. Imidlertid, teoretikere har forudsagt i nogen tid, at hvis mange af disse bølger er spændte, de kan samlet smide en masse alfapartikler ud, bringe reaktorkammerets vægge i fare og effektiv opvarmning af brændstoffet.

Nylige eksperimenter udført på DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics opererer for US Department of Energy (DOE) i San Diego, har afsløret beviser, der bekræfter disse teoretiske forudsigelser. Tab af op til 40 procent af højenergipartikler observeres i forsøg, når mange Alfvén-bølger begejstres af deuteriumstråleioner, der bruges til at simulere alfa-partikler og stråleioner med højere energi i en fusionsreaktor som ITER, som nu er under opførelse i det sydlige Frankrig.

I kølvandet på denne forskning, fysikere ved DOE's Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) fremstillede en kvantitativt nøjagtig model af virkningen af ​​disse Alfvén-bølger på deuteriumstråler med høj energi i DIII-D tokamak. De brugte simuleringskoder kaldet NOVA og ORBIT til at forudsige, hvilke Alfvén-bølger der ville blive begejstrede og deres effekt på indeslutningen af ​​højenergipartiklerne.

Forskerne bekræftede NOVA-modelleringsforudsigelsen om, at over 10 ustabile Alfvén-bølger kan begejstres af deuteriumstrålerne i DIII-D-eksperimentet. Desuden, i kvantitativ overensstemmelse med forsøgsresultaterne, modelleringen forudsagde, at op til 40 procent af de energiske partikler ville gå tabt. Modelleringen demonstrerede for første gang, i denne type højtydende plasma, at kvantitativt nøjagtige forudsigelser kan foretages for effekten af ​​flere Alfvén-bølger på indeslutning af energiske partikler i DIII-D tokamak.

"Vores team bekræftede, at vi kvantitativt kan forudsige de betingelser, hvor fusionsalfa-partiklerne kan gå tabt fra plasmaet baseret på resultaterne fra modelleringen af ​​DIII-D-eksperimenterne," sagde Gerrit Kramer, en PPPL -forskningsfysiker og hovedforfatter af et papir, der beskriver modelleringsresultaterne i maj -udgaven af ​​tidsskriftet Kernefusion .

De fælles fund markerede et potentielt stort fremskridt i forståelsen af ​​processen. "Disse resultater viser, at vi nu har en stærk forståelse af de enkelte bølger, der er spændte på de energiske partikler, og hvordan disse bølger arbejder sammen for at udvise energiske partikler fra plasmaet, "sagde fysiker Raffi Nazikian, leder af ITER- og Tokamaks-afdelingen hos PPPL og leder af laboratoriets samarbejde med DIII-D.

NOVA+ORBIT-modellen indikerede endvidere, at visse plasmabetingelser dramatisk kunne reducere antallet af Alfvén-bølger og dermed sænke tabet af energipartikler. Sådanne bølger og de tab, de producerer, kan minimeres, hvis den elektriske strømprofil i midten af ​​plasmaet kan udvides, ifølge analysen præsenteret i den videnskabelige artikel.

Eksperimenter for at teste disse ideer til reduktion af energitab i partikler vil blive gennemført i en følgende forskningskampagne om DIII-D. "Nye opgraderinger af DIII-D-anlægget vil gøre det muligt at udforske forbedrede plasmaforhold, "Sagde Nazikian." Nye eksperimenter foreslås for at få adgang til betingelser, som teorien forudsiger for at reducere energiske partikeltab, med vigtige konsekvenser for det optimale design af fremtidige reaktorer. "