Driftende og hoppende partikler kan opretholde stabiliteten i fusionsplasmaer

En nøgleudfordring i fusionsforskning er at opretholde stabiliteten af ​​det varme, ladet plasma, der giver næring til fusionsreaktioner inde i doughnut-formede faciliteter kaldet "tokamaks". Fysikere ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har for nylig fundet ud af, at drivende partikler i plasmaet, som består af frie elektroner og atomkerner, kan forhindre ustabiliteter, der reducerer trykket, der er afgørende for højtydende fusionsreaktioner inde i disse faciliteter.

Fusion, kraften, der driver solen og andre stjerner, er sammensmeltning af lette elementer i form af plasma, der producerer enorme mængder energi. PPPL-forskere søger at studere og replikere fusion ved at opvarme plasmaet til supervarme temperaturer inde i en tokamak og begrænse det under tryk i spiraldannelse, magnetiske felter. Fysikere bruger udtrykket "beta" til at karakterisere, hvordan trykket af varmen produceret af en tokamak sammenlignes med trykket af det magnetiske felt, der bruges til at indeholde plasmaet.

Forskning ledet af Zhirui Wang brugte data fra National Spherical Torus Experiment (NSTX), en sfærisk tokamak ved PPPL formet som et æble med kerne, der producerer høj-beta plasmaer. Resultaterne af undersøgelsen forklarer, hvordan partikler, der driver og hopper inden for felterne, kan stabilisere højtryks- og højtydende plasmaer.

Sådanne partikler bliver fanget og hopper frem og tilbage inden for en begrænset del af magnetfelterne i stedet for at krydse hele deres omkreds rundt om maskinen. Selve portionerne kan drive rundt i maskinen. Det hoppende og drivende kan sprede energi, der ellers kunne destabilisere plasmaet og forstyrre fusionsreaktioner, fandt fysikerne.

Forskere bemærkede først uoverensstemmelser mellem NSTX-data og simuleringsforudsigelser. Ændring af koden for at tage de fangede partikler i betragtning forbedrede aftalen ved at producere simuleringer, der tyder på, at plasmaet ville forblive stabilt længere under højt tryk, som NSTX-forsøgene viste. "Vi fandt ud af, at tokamaks kan gå til en højere beta, fordi plasmaet vil blive stabiliseret af disse kinetiske effekter, " sagde Wang, hovedforfatter til et papir, der beskriver resultaterne i tidsskriftet Nuclear Fusion.

Forbedrede kinetiske simuleringer kan også føre til bedre forudsigelser og kontrol af plasma-ustabilitet kendt som edge-localized modes (ELM'er), som optræder på kanten af ​​plasmaer med høj indeslutning og ved at frigive store mængder energi til væggen kan beskadige plasma-vendende komponenter i en fusionsreaktor betydeligt. Bedre forudsigelser ville give forskerne mulighed for at forudse, hvornår en ELM er ved at opstå, og justere magnetiske kontroller, så ustabiliteten enten afbødes eller fuldstændig undertrykkes, før den eroderer materialerne omkring fusionsplasmaet.

Overordnede resultater af denne forskning kan føre til forbedret opnåelse af højtydende fusionsplasmaer i nutidens tokamaks og i ITER, det internationale eksperiment under opbygning i Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionskraft.