Fysikere forbedrer vertikal stabilitet af superledende koreansk fusionsenhed

En stor udfordring for udviklingen af ​​fusionsenergi er at opretholde det ultravarme plasma, der brænder fusionsreaktioner i en stabil tilstand, eller bæredygtig, form ved hjælp af superledende magnetspoler for at undgå kobberspolernes enorme effektbehov. Mens superledere kan tillade en fusionsreaktor at fungere på ubestemt tid, at kontrollere plasmaet med superledere udgør en udfordring, fordi tekniske begrænsninger begrænser, hvor hurtigt sådanne magnetspoler kan justeres sammenlignet med kobberspoler, der ikke har de samme begrænsninger.

Den langsommere responstid for disse superledende spoler skaber problemet. Det langsommere tempo gør det vanskeligt at drive en stabil udladning med det store plasmavolumen eller den udvidede lodrette højde, der kræves for at producere fusionskraft. Udforskning af dette problem i en aktuel superledende enhed er særlig nyttig for ITER, det internationale fusionseksperiment under opbygning i Frankrig, som vil være operationel i 2025.

Forkant med udfordringen

På forkant med denne kontroludfordring er Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) enheden, en af ​​de største superledende tokamaks i verden. Dens superledere er lavet af niobium og tin, den samme leder, som er planlagt til brug i ITER.

Et team af amerikanske og koreanske forskere, ledet af fysiker Dennis Mueller fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har nu markant forbedret stabiliteten af ​​det aflange plasma i KSTAR, et eksempel på, hvordan man kan løse lignende problemer i andre superledende enheder såsom ITER. Den vellykkede kontrolmetode, demonstreret i sommer af Mueller og fysikere fra National Fusion Research Institute (NFRI) i Sydkorea og General Atomics i San Diego, begrænser års indsats for at kontrollere den vertikale ustabilitet, hvilket havde gjort det muligt for plasmaet at hoppe op og ned i den 11 fod høje vakuumbeholder.

"Da plasmaet blev højere, bevægede det sig væk fra stabil drift, " Mueller fortalte det 59. årlige møde i American Physical Society Division of Plasma Physics i oktober. "Den nye korrektionsmetode forhindrer plasmaet i at hoppe op og ned ved at stabilisere det lodrette centrum af plasmaet. Kontrol af den vertikale ustabilitet har givet mulighed for højere plasmaer i KSTAR end de originale designspecifikationer."

Modificeret elektronik

Nøglen til rettelsen var modificeret elektronik til sensorer, der registrerer plasmaets magnetiske felt og plasmaets bevægelse og position. De modificerede sensorer sender hurtigt et styresignal, der kan give feedback på den lodrette position. Feedbacken bruger en lodret kontrolspole (IVC) i karet til at skubbe ændringerne i den lodrette position tilbage og forhindre terminering af plasmaet. "Brug af de forbedrede sensorsignaler er afgørende for, at styresystemet fungerer godt, " sagde Mueller.

De nye magnetiske sensorer krævede en teamindsats for at udvikle og optimere. KSTAR-forskerne Jun Gyo Bak og Heungsu Kim leverede elektronikken. Førende indsatsen var Mueller og KSTARs Sang-hee Hahn.

Ud over sensorforbedringerne, Nicholas Eidietis fra General Atomics udviklede et kontrolsystem, der skelner mellem hurtige og langsomme ændringer i sensorsignalerne og dirigerer forskellige spoler til at reagere på plasmabevægelsen på forskellige tidsskalaer. Slutresultatet af dette internationale teamwork er et kontrolsystem, der reagerer effektivt på plasmabevægelser, muliggør drift med højere plasmaer, der overstiger KSTAR-designkravene. DOE Office of Science (FES) støttede dette samarbejde.