Forbedring af den magnetiske flaske, der styrer fusionskraften på Jorden

Forskere, der bruger magnetfelter til at flaske op og kontrollere fusionsreaktionerne på jorden, der driver solen og stjernerne, skal rette eventuelle fejl i formen af ​​felterne, der indeholder reaktionerne. Sådanne fejl frembringer afvigelser fra felternes symmetriske form i donutlignende tokamakfusionsfaciliteter, der kan have en skadelig indvirkning på stabiliteten og indeslutningen af ​​det varme, ladet plasmagas, der brænder reaktionerne.

Forskere ledet af forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fundet klare beviser for tilstedeværelsen af ​​fejlfelter i den første 10-ugers kørsel af National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) , flagskibsfusionsanlægget på laboratoriet. Den udtømmende detektionsmetode, de brugte, kunne give lektioner til fejlkorrektion i fremtidige fusionsenheder såsom ITER, det store internationale fusionsanlæg under opførelse i Frankrig for at demonstrere det praktiske ved kontrolleret fusionsenergi.

Fusion driver solen og stjernerne

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, er sammensmeltning af lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere rundt om i verden søger at replikere fusion på Jorden for en næsten uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Hos PPPL, forskere har sammensat en kombination af eksperimentelle data, detaljeret måling af magneternes position, og computermodellering af plasmaets respons for at lokalisere kilden til NSTX-U fejlfelterne. Analysen afdækkede et spektrum af små fejlfelter - et uundgåeligt resultat af, at en tokamak ikke kan være perfekt symmetrisk - men de fleste havde en let korrigerbar indvirkning på plasmaet. Imidlertid, et stort fund skilte sig ud:en lille forskydning af de magnetiske spoler, der løber ned i midten af ​​tokamak og producerer de felter, der vikles vandret - eller "toroidalt" - rundt om skibets indre.

Ledetrådene søgte

Denne fejljustering var det spor forskerne havde søgt. "Vi ledte efter fejlkilden med den største indvirkning på plasmaet, "sagde fysiker Nate Ferraro, første forfatter til forskningen, der rapporterede søgningen og opdagelsen i Kernefusion . "Det, vi fandt, var en lille forskydning af midterstakspolerne med kabinettet, der omslutter dem."

Den lille forskydning skabte fejl, der gav genlyd i plasmaets adfærd. Blandt problemerne var en bremse- og låseeffekt, der forhindrede plasmaets kant i at rotere, og øget lokaliseret opvarmning på plasma-modstående komponenter inde i tokamak.

Opdagelsen af ​​fejljusteringen fulgte lukning af tokamak til igangværende reparationer i kølvandet på en spolefejl. Resultaterne af fejljusteringen bruges nu "til at drive nye tekniske tolerancekrav til NSTX-U, når den genopbygges, "sagde forskerne. Sådanne krav kræver en strammere tolerance mellem midterstakken og kabinettet, der omslutter den. Den strammere tolerance ville indsnævre afvigelsen fra optimal justering af de to komponenter til mindre end to en hundrededels tommer langs den lodrette akse af midterstakken.

Justeringen ville afhjælpe bekymringer om øget lokaliseret opvarmning og ville reducere magnetisk bremsning og låsning, ifølge forfatterne. Sådanne udviklinger ville derved forbedre plasmaets stabilitet. "Hver tokamak er bekymret over fejlfelter, "Sagde Ferraro." Det, vi forsøger at gøre, er at optimere NSTX-U. "

Partnerskab med eksperimenter

Resultaterne viser forholdet mellem PPPL teoriafdelingen og NSTX-U eksperimentet, sagde Amitava Bhattacharjee, der leder teori. "Dette er et glimrende eksempel på NSTX-U-Theory Partnership-programmet, der har været til gavn for både NSTX-U og teoriafdelingerne på PPPL, og som fortsætter, selv når NSTX-U er i bedring, "Sagde Bhattacharjee.

Medlemmer af forskergruppen omfattede forskere fra PPPL, Sandia National Laboratory, General Atomics og Oak Ridge National Laboratory. DOE Office of Science finansierede arbejdet.