Forskere opdager en proces, der stabiliserer fusionsplasmaer

Forskere, der søger at bringe fusionsreaktionen, der driver solen og stjernerne til Jorden, skal holde det supervarme plasma fri for forstyrrelser. Nu har forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) opdaget en proces, der kan hjælpe med at kontrollere de forstyrrelser, der anses for at være mest farlige.

Replikerer fusion, som frigiver grænseløs energi ved at fusionere atomkerner i den tilstand af stof kendt som plasma, kunne producere ren og praktisk talt ubegrænset strøm til at generere elektricitet til byer og industrier overalt. At fange og kontrollere fusionsenergi er derfor en vigtig videnskabelig og teknisk udfordring for forskere over hele kloden.

Oprettelse af magnetiske øer

PPPL-konstateringen, rapporteret i Fysisk gennemgangsbreve , fokuserer på såkaldte rivetilstande - ustabiliteter i plasmaet, der skaber magnetiske øer, en vigtig kilde til plasmaforstyrrelser. Disse øer, boblelignende strukturer, der dannes i plasmaet, kan vokse og udløse forstyrrende hændelser, der standser fusionsreaktioner og beskadiger doughnut-formede faciliteter kaldet "tokamaks", der huser reaktionerne.

Forskere fandt i 1980'erne, at brug af radiofrekvensbølger (RF) til at drive strøm i plasmaet kunne stabilisere rivetilstande og reducere risikoen for forstyrrelser. Imidlertid, forskerne bemærkede ikke, at små ændringer - eller forstyrrelser - i plasmatemperaturen kunne forbedre stabiliseringsprocessen, når en nøgletærskel i strøm er overskredet. Den fysiske mekanisme, som PPPL har identificeret, fungerer således:

• Temperaturforstyrrelserne påvirker styrken af ​​det nuværende drev og mængden af ​​RF-effekt, der afsættes på øerne.
• Forstyrrelserne og deres indvirkning på afsætningen af ​​kraftfeedback mod hinanden på en kompleks – eller ikke-lineær – måde.
• Når feedbacken kombineres med det aktuelle drevs følsomhed over for temperaturforstyrrelser, effektiviteten af ​​stabiliseringsprocessen øges.
• Desuden, den forbedrede stabilisering er mindre tilbøjelig til at blive påvirket af fejljusterede strømdrev, der ikke rammer midten af ​​øen.

Den overordnede virkning af denne proces skaber det, der teknisk kaldes "RF-strømkondensering, " eller koncentration af RF-kraft inde på øen, der forhindrer den i at vokse. "Kraftafsætningen er stærkt øget, " sagde Allan Reiman, en teoretisk fysiker ved PPPL og hovedforfatter af papiret. "Når strømaflejringen på øen overstiger et tærskelniveau, der er et spring i temperaturen, som i høj grad styrker den stabiliserende effekt. Dette muliggør stabilisering af større øer end tidligere antaget muligt."

Til gavn for ITER

Denne proces kan være særlig gavnlig for ITER, den internationale tokamak under opførelse i Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionskraft. "Der er bekymring for, at øer bliver store og forårsager forstyrrelser i ITER, " sagde Reiman. "Tilsammen, disse nye effekter skulle gøre det lettere at stabilisere ITER-plasmaer."

Reiman arbejdede sammen med professor Nat Fisch, assisterende direktør for akademiske anliggender ved PPPL og medforfatter til rapporten. Fisch havde demonstreret i et skelsættende papir fra 1970'erne, at RF-bølger kunne bruges til at drive strømme for at begrænse tokamak-plasmaer gennem en proces, der nu kaldes "RF-strømdrev."

Fisch påpeger, hvordan "det var Reimans banebrydende papir i 1983, der forudsagde, at disse RF-strømme også kunne stabilisere rivetilstande. Brugen af ​​RF-strømdrev til stabilisering af rivetilstande var måske endnu mere afgørende for tokamak-programmet end at bruge disse strømme til at begrænse plasmaet, " sagde Fisch.

"Derfor, " han sagde, "Reimans papir fra 1983 lancerede i det væsentlige eksperimentelle kampagner på tokamaks verden over for at stabilisere rivetilstande." I øvrigt, han tilføjede, "Væsentligt, ud over at forudsige stabiliseringen af ​​rivetilstande ved hjælp af RF, papiret fra 1983 påpegede også vigtigheden af ​​temperaturforstyrrelser i magnetiske øer."

Undervurderet funktion

Det nye papir tager et nyt kig på virkningen af ​​disse temperaturforstyrrelser på øerne, et træk, der er blevet undervurderet siden avisen fra 1983 pegede på det. "Vi gik dybest set 35 år tilbage for at føre den tanke lidt videre ved at udforske den fascinerende fysik og større implikationer af positiv feedback, " sagde Fisch. "Det viste sig, at disse implikationer nu kan være meget vigtige for tokamak-programmet i dag."

Teoretikerne begyndte deres seneste arbejde med en simpel model og avancerede til mere komplekse modeller for at løse de vigtigste problemer. De planlægger nu at producere et mere detaljeret billede med stadig mere sofistikerede modeller. De arbejder også på at foreslå eksperimentelle kampagner, der vil afsløre disse nye effekter. Støtte til denne forskning kommer fra DOE Office of Science.