Tænd min bål:Sådan starter du fusionsenheder hver gang

Hvordan starter du en fusionsreaktion, processen, der tænder solen og stjernerne, på jorden? Som at tænde en tændstik for at starte en ild, du producerer først plasma, materiens tilstand sammensat af frie elektroner og atomkerner, der brænder fusionsreaktioner, og hæve den til temperaturer, der konkurrerer med solen i hundredvis af millisekunder.

Fysikere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), arbejder med forskere ved Culham Center for Fusion Energy (CCFE) i Det Forenede Kongerige, har konstrueret en simuleringsramme til at udvikle og teste plasmastartopskrifter til National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) på PPPL og Mega Ampere Spherical Tokamak-Upgrade (MAST-U) på CCFE. "Dette er et værktøj til at hjælpe en operatør med at designe en vellykket opstartsopskrift, inden han sætter sig på førersædet ved NSTX-U eller MAST-U, "sagde fysiker Devon Battaglia, der leder teamet af operatører på NSTX-U-eksperimentet og er hovedforfatter til et papir, der beskriver modellen i tidsskriftet Kernefusion .

Smeltning af plasmapartikler

Fusion smelter plasmapartikler for at frigive enorme mængder energi. Forskere rundt om i verden søger at gentage den himmelske proces for at producere en sikker, ren, og praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til elproduktion.

Den typiske opskrift til dannelse af et plasma i magnetiske fusionsenheder kaldet tokamaks begynder med at påføre spænding over en gas, der injiceres i et stærkt magnetfelt. Gassen bliver til plasma inden for få millisekunder og opvarmes hurtigt til millioner af grader. At skabe den bedste opskrift på en vellykket opstart kræver finjustering af gastrykket med en konsekvent udvikling af de elektriske og magnetiske felter, en delikat opgave, der påhviler operatøren.

Den nye simuleringsevne gør det muligt for operatører hurtigt at opnå denne balance, reducerer betydeligt den tid, der bruges på at køre eksperimenter for at finde en opskrift, der virker.

Forskere udledte og validerede modellerne i simuleringsrammen mod data indsamlet fra tidligere eksperimenter på NSTX-U og dens forgænger, og forgængeren for MAST-U. Battaglia arbejdede tæt sammen med fysikere på CCFE for at udvikle den nye model, gør papiret til en fælles indsats, og vil rejse der igen for den planlagte opstart af MAST-U.

"Plasma-sammenbrud er en vigtig milepæl for MAST-U og Devons arbejde giver værdifuld indsigt i den bedste vej til at opnå opstart, "sagde fysikeren Andrew Thornton, hovedoperatør hos MAST-U og medforfatter af papiret. "At have Devons ekspertise på stedet, når vi genstarter, vil være enormt værdifuldt, da han har udført lignende eksperimenter på NSTX-U, der kan guide indsatsen på MAST-U."

Giver ny indsigt

Udvikling af modellen giver ny indsigt i opstart af sfæriske tokamaks som NSTX-U og MAST-U, som er formet som æbler med kerner frem for den doughnut-lignende form af mere udbredte konventionelle tokamakker. Processen med at sammensætte simuleringsrammen har også bidraget til bestræbelser på at udvikle beregningsværktøjer til den første drift af ITER, den internationale tokamak under opførelse i Frankrig for at demonstrere praktisk anvendelse af fusionsenergi.