En gennemprøvet metode til at stabilisere indsatsen for at bringe fusionskraft til Jorden

Alle bestræbelser på at replikere i tokamak-fusionsanlæg fusionsenergien, der driver solen og stjernerne, skal klare et konstant problem - forbigående varmeudbrud, der kan standse fusionsreaktioner og beskadige de doughnut-formede tokamaks. Disse udbrud, kaldet edge localized modes (ELM'er), opstår på kanten af ​​varmt, ladet plasmagas, når den går i højt gear for at sætte gang i fusionsreaktioner.

For at forhindre sådanne udbrud, forskere ved DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics (GA) driver for det amerikanske energiministerium (DOE), tidligere banebrydende en tilgang, der sprøjter små krusninger af magnetiske felter ind i plasmaet for at få varme til at lække kontrollerbart ud. Nu har forskere ved DOE's Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) udviklet et kontrolskema for at optimere niveauerne af disse felter for maksimal ydeevne uden ELM'er.

Vejen til at undertrykke ELM'er

Forskningen, ledet af PPPL-fysiker Florian Laggner og finansieret af DOE Office of Science, udviklet ordningen på DIII-D i San Diego. Laggner sagde metoden, sammen med forskere fra GA og andre samarbejdende institutioner, afslører en vej til at undertrykke ELM'er og maksimere fusionskraft på ITER, den internationale tokamak under opførelse i Frankrig, der er designet til at demonstrere det praktiske ved fusionsenergi. "Vi viser en vej frem, en måde det kan gøres på, sagde Laggner, hovedforfatter af et papir, der rapporterer resultaterne i Kernefusion .

Fusion driver solen og stjernerne ved at kombinere lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99 procent af det synlige univers - for at generere enorme mængder energi. Forskere over hele verden søger at udnytte fusion til en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

Den demonstrerede teknik bruger den udvidede kapacitet af DIII-D plasmakontrolsystemet til at løse den iboende konflikt mellem optimering af fusionsenergi og styring af ELM'er. Ordningen fokuserer på "piedestalen, "den tynde, tætte lag af plasma nær kanten af ​​tokamak, der øger trykket af plasmaet og dermed fusionskraften. Imidlertid, hvis piedestalen vokser for højt, kan det skabe ELM-varmeudbrud ved pludselig at kollapse.

Så nøglen er at kontrollere højden af ​​piedestalen for at maksimere fusionskraften og samtidig forhindre laget i at blive så højt, at det udløser ELM'er. Kombinationen kræver realtidsstyring af processen. "Du kan ikke bare forprogrammere et konstant skema på forhånd, da plasma- og vægforholdene kan udvikle sig, sagde Egemen Kolemen, en assisterende professor i Mechanical and Aerospace Engineering ved Princeton University og en PPPL-fysiker, der overvågede projektet. "Styringen skal give justeringer i realtid."

Stabil ELM-undertrykkelse

Det udviklede system skabte ELM-undertrykkelse ved minimumsamplitude, eller størrelse, af den magnetiske forstyrrelse. Det reducerede yderligere amplituden for at tillade delvis genopretning af den indeslutning, der blev tabt under processen, derved opnås både stabil ELM-undertrykkelse og høj fusionsydelse.

"Laggner og kolleger har samlet en imponerende række af kontrolværktøjer til at regulere kerne- og kantplasmastabilitet i realtid, " sagde GA fysiker Carlos Paz-Soldan, en medforfatter af papiret. "En eller anden form for adaptiv kontrol som de teknikker, der er banebrydende i dette arbejde, vil sandsynligvis være nødvendige for at regulere plasmakantstabiliteten i ITER."

Mens den internationale facilitet ikke blot vil anvende kontrolsystemet udviklet af PPPL og GA, det skal skabe sin egen metode til at håndtere ELM'er. Ja, "aktive kontrolordninger vil muliggøre sikker drift med maksimeret [fusion] gevinst i fremtidige enheder såsom ITER, " sagde forfatterne. Desuden, tilføjede de, implementering af en sådan ordning på DIII-D giver principbevis og "guider den fremtidige udvikling."