Små granulater kan hjælpe med at bringe ren og rigelig fusionskraft til Jorden

Beryllium, en hård, sølvfarvet metal længe brugt i røntgenmaskiner og rumfartøjer, finder en ny rolle i søgen efter at bringe den kraft, der driver solen og stjernerne til Jorden. Beryllium er et af de to hovedmaterialer, der bruges til væggen i ITER, et multinationalt fusionsanlæg under opførelse i Frankrig for at demonstrere det praktiske ved fusionskraft. Nu, fysikere fra det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og General Atomics har konkluderet, at indsprøjtning af bittesmå beryllium-pellets i ITER kan hjælpe med at stabilisere det plasma, der giver næring til fusionsreaktioner.

Eksperimenter og computersimuleringer viste, at de injicerede granula hjælper med at skabe forhold i plasmaet, der kan udløse små udbrud kaldet kantlokaliserede tilstande (ELM'er). Hvis den udløses ofte nok, de små ELM'er forhindrer gigantiske udbrud, der kan standse fusionsreaktioner og beskadige ITER-anlægget.

Forskere rundt om i verden søger at kopiere fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet. Processen involverer plasma, en meget varm suppe af frit svævende elektroner og atomkerner, eller ioner. Sammensmeltningen af ​​kernerne frigiver en enorm mængde energi.

I de nuværende forsøg, forskerne injicerede granulat af kulstof, lithium, og borcarbid - letmetaller, der deler flere egenskaber af beryllium - ind i DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics driver for DOE i San Diego. "Disse letmetaller er materialer, der almindeligvis anvendes inde i DIII-D og deler flere egenskaber med beryllium, " sagde PPPL fysiker Robert Lunsford, hovedforfatter af papiret, der rapporterer resultaterne i Nukleare materialer og energi . Fordi den indre struktur af de tre metaller ligner den af ​​beryllium, forskerne konkluderer, at alle disse elementer vil påvirke ITER-plasma på lignende måder. Fysikerne brugte også magnetiske felter til at få DIII-D-plasmaet til at ligne plasmaet, som det forudsiges at forekomme i ITER.

Disse eksperimenter var de første af deres slags. "Dette er det første forsøg på at forsøge at finde ud af, hvordan disse urenhedspellets ville trænge ind i ITER, og om du ville gøre nok ud af en ændring i temperaturen, massefylde, og pres for at udløse en ELM, " sagde Rajesh Maingi, leder af plasma-edge research ved PPPL og medforfatter til papiret. "Og det ser faktisk ud til, at denne granulat-injektionsteknik med disse elementer ville være nyttig."

Hvis så, injektionen kunne mindske risikoen for store ELM'er i ITER. "Mængden af ​​energi, der drives ind i ITERs første vægge af spontant forekommende ELM'er, er nok til at forårsage alvorlig skade på væggene, " sagde Lunsford. "Hvis der ikke blev gjort noget, du ville have en uacceptabelt kort komponentlevetid, muligvis kræve udskiftning af dele hver anden måned."

Lunsford brugte også et program, han selv skrev, og som viste, at injektion af berylliumgranulat, der målte 1,5 millimeter i diameter, omkring tykkelsen af ​​en tandstik, ville trænge ind i kanten af ​​ITER-plasmaet på en måde, der kunne udløse små ELM'er. I den størrelse nok af granulatets overflade ville fordampe, eller ablate, at tillade beryllium at trænge ind til steder i plasmaet, hvor ELM'er mest effektivt kan udløses.

Det næste trin vil være at beregne, om densitetsændringer forårsaget af urenhedspellets i ITER faktisk vil udløse en ELM, som eksperimenterne og simuleringerne indikerer. Denne forskning er i øjeblikket i gang i samarbejde med internationale eksperter på ITER.

Forskerne forestiller sig injektion af berylliumgranulat som blot et af mange værktøjer, herunder brug af eksterne magneter og indsprøjtning af deuterium pellets, at styre plasmaet i doughnut-formede tokamak-faciliteter som ITER. Forskerne håber at kunne udføre lignende eksperimenter på Joint European Torus (JET) i Det Forenede Kongerige, i øjeblikket verdens største tokamak, for at bekræfte resultaterne af deres beregninger. siger Lunsford, "Vi tror, ​​at det vil tage alle at arbejde sammen med en masse forskellige teknikker for virkelig at få ELM-problemet under kontrol."