Opdaget:Optimale magnetfelter til at undertrykke ustabiliteter i tokamaks

Fusion, kraften, der driver solen og stjernerne, producerer enorme mængder energi. Forskere her på Jorden søger at gentage denne proces, som sammensmelter lette elementer i form af varme, ladet plasma sammensat af frie elektroner og atomkerner, at skabe en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet i det, der kan kaldes en "stjerne i en krukke".

Et mangeårigt puslespil i bestræbelserne på at fange fusionskraften på Jorden er, hvordan man mindsker eller eliminerer en almindelig ustabilitet, der opstår i plasmaet kaldet edge localized modes (ELM'er). Ligesom solen frigiver enorme energibyster i form af solblusser, så flare-lignende udbrud af ELM'er kan slå ind i væggene af doughnut-formede tokamaks, der huser fusionsreaktioner, muligvis beskadige reaktorens vægge.

Krusninger styrer nye udbrud

For at kontrollere disse udbrud, forskere forstyrrer plasmaet med små magnetiske krusninger kaldet resonante magnetiske forstyrrelser (RMP'er), der forvrænger det glatte, donutform af plasmaet - frigiver overskydende tryk, der reducerer eller forhindrer ELM'er i at forekomme. Den hårde del er at producere den helt rigtige mængde af denne 3D-forvrængning for at eliminere ELM'erne uden at udløse andre ustabilitet og frigive for meget energi, der, i værste fald, kan føre til en større forstyrrelse, der afslutter plasmaet.

At gøre opgaven usædvanligt vanskelig er det faktum, at et stort set ubegrænset antal magnetiske forvrængninger kan påføres plasmaet, hvilket gør det en ekstraordinær udfordring at finde den helt rigtige form for forvrængning. Men ikke længere.

Fysiker Jong-Kyu Park fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), arbejder med et team af samarbejdspartnere fra USA og National Fusion Research Institute (NFRI) i Korea, har med succes forudsagt hele sættet med gavnlige 3-D-forvrængninger til styring af ELM'er uden at skabe flere problemer. Forskere validerede disse forudsigelser på den koreanske Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) facilitet, en af ​​verdens mest avancerede superledende tokamakker, beliggende i Daejeon, Sydkorea.

KSTAR ideel til test

KSTAR var ideel til at teste forudsigelserne på grund af sine avancerede magnetkontroller til at generere præcise forvrængninger i det næsten perfekte, donutformet symmetri af plasmaet. Identifikation af de mest gavnlige forvrængninger, som udgør mindre end en procent af alle de mulige forvrængninger, der kan frembringes inde i KSTAR, ville have været stort set umuligt uden den forudsigelsesmodel, der blev udviklet af forskergruppen.

Resultatet var en præcedensskabende præstation. "Vi viser for første gang det fulde 3D-feltbetjeningsvindue i en tokamak for at undertrykke ELM'er uden at røre kerneinstabilitet eller overdrevent nedværdigende indespærring, "sagde Park, hvis papir - skrevet med 14 medforfattere fra USA og Sydkorea - udgives i Naturfysik . "I lang tid troede vi, at det ville være for beregningsmæssigt svært at identificere alle fordelagtige symmetri-afbrydende felter, men vores arbejde viser nu en enkel procedure til at identificere sættet for alle sådanne konfigurationer. "

Forskere reducerede kompleksiteten af ​​beregningerne, da de indså, at antallet af måder, plasmaet kan fordreje, faktisk er langt færre end rækkevidden af ​​mulige 3-D-felter, der kan anvendes på plasmaet. Ved at arbejde baglæns, fra forvrængninger til 3D-felter, forfatterne beregnede de mest effektive felter til eliminering af ELM'er. KSTAR -eksperimenterne bekræftede forudsigelserne med bemærkelsesværdig nøjagtighed.

Fund giver ny tillid

Resultaterne på KSTAR giver ny tillid til evnen til at forudsige optimale 3D-felter for ITER, den internationale tokamak under opførelse i Frankrig, som planlægger at anvende specielle magneter til at producere 3D-forvrængninger til styring af ELM'er. En sådan kontrol vil være afgørende for ITER, hvis mål er at producere 10 gange mere energi, end det vil tage at opvarme plasmaet. Sagde forfattere af avisen, "Metoden og princippet i denne undersøgelse kan væsentligt forbedre effektiviteten og troværdigheden af ​​den komplicerede 3D-optimeringsproces i tokamaks."