Forskere løser udfordringen med at forbedre fusionsydelsen

Et hold på DIII-D National Fusion Facility ledet af en William &Mary-fysiker har gjort et betydeligt fremskridt inden for fysikforståelse, der repræsenterer et vigtigt skridt hen imod praktisk fusionsenergi.

Arbejdet, offentliggjort i en artikel i tidsskriftet Kernefusion , hjælper bedre med at forklare forholdet mellem tre variabler - plasmaturbulens, transporten af ​​elektroner gennem plasmaet og elektrontætheden i kernen. Fordi disse faktorer er nøgleelementer i fusionsreaktionen, denne forståelse kunne væsentligt forbedre evnen til at forudsige ydeevne og effektivitet af fusionsplasmaer, et nødvendigt skridt i retning af at opnå kommercielle fusionskraftværker.

"Vi har i nogen tid vidst, at der er en sammenhæng mellem kerneelektrondensitet, elektron-ion kollisioner og partikelbevægelse i plasmaet, " sagde William &Marys Saskia Mordijck, der ledede det multiinstitutionelle forskerhold på DIII-D. "Desværre, indtil nu har forskning ikke været i stand til at løse dette forhold fra de andre komponenter, der påvirker elektrontæthedsmønstre."

Mordijck, en adjunkt i William &Mary's Department of Physics, bemærker, at ud over den internationale indsats ved DIII-D, W&M har været bidragsyder til lignende eksperimenter i EU.

DIII-D, som General Atomics driver som en national brugerfacilitet for Department of Energy's Office of Science, er det største magnetiske fusionsforskningsanlæg i landet. Det er vært for forskere fra mere end 100 institutioner over hele kloden, herunder 40 universiteter. Hjertet af anlægget er en tokamak, der bruger kraftige elektromagneter til at producere en doughnut-formet magnetisk beholder til indeslutning af et fusionsplasma. I DIII-D, plasmatemperaturer mere end 10 gange varmere end Solen opnås rutinemæssigt. Ved så ekstremt høje temperaturer, brintisotoper kan smelte sammen og frigive energi.

I en tokamak, fusionskraft bestemmes af temperatur, plasmadensitet og indeslutningstid. Fusion gevinst, udtrykt som symbolet Q, er forholdet mellem fusionseffekt og den inputeffekt, der kræves for at opretholde reaktionen og er således en nøgleindikator for enhedens effektivitet. Ved Q =1, breakeven-punktet er nået, men på grund af varmetab, selvbærende plasmaer nås ikke før omkring Q =5. Nuværende systemer har opnået ekstrapolerede værdier på Q =1,2. ITER-eksperimentet under opførelse i Frankrig forventes at opnå Q =10, men kommercielle fusionskraftværker vil sandsynligvis skulle opnå endnu højere Q-værdier for at være økonomiske.

Fordi elektrontæthed i plasmakernen er et kritisk element i fusionsforstærkning, forskere udvikler metoder til at opnå større toptætheder. En tidligere identificeret tilgang, der viser lovende, er at reducere elektron-ion-kollisioner, en parameter, som plasmafysikere omtaler som kollisioner. Imidlertid, tidligere forskning var ikke i stand til at fastslå det nøjagtige forhold mellem tæthedstoppende og kollisionsforhold, heller ikke isolere effekten fra andre egenskaber ved plasmaet.

DIII-D-teamet udførte en række eksperimenter, hvor kun plasmakollision blev varieret, mens andre parametre blev holdt konstante. Resultaterne viste, at lav kollision forbedrer elektrontætheden, der topper gennem dannelsen af ​​en intern barriere for partikelbevægelse gennem plasmaet, hvilket igen ændrede plasmaturbulensen. Tidligere arbejde havde antydet, at effekten kunne skyldes plasmaopvarmning ved neutral stråleindsprøjtning, men forsøgene viser, at det var forbundet med partikeltransport og turbulens.

"Dette arbejde forbedrer væsentligt forståelsen af ​​elektronadfærd i plasmakernen, som er et område af stor betydning for at øge fusionsgevinsten, " sagde David Hill, direktør for DIII-D. "Dette er endnu et vigtigt skridt hen imod praktisk fusionsenergi i fremtidige kommercielle reaktorer."