Forskere foreslår en ny metode til at kontrollere fusionsreaktioner

Forskere har fundet en ny måde at forhindre irriterende magnetiske bobler i plasma i at forstyrre fusionsreaktioner - hvilket giver en potentiel måde at forbedre ydeevnen af ​​fusionsenergienheder. Og det kommer fra styring af radiofrekvensbølger (RF) for at stabilisere de magnetiske bobler, som kan udvide og skabe forstyrrelser, der kan begrænse ITERs ydeevne, det internationale anlæg under opførelse i Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionskraft.

Magnetiske øer

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet den nye model til at kontrollere disse magnetiske bobler, eller øer. Den nye metode modificerer standardteknikken til støt aflejring af radiostråler (RF) i plasmaet for at stabilisere øerne - en teknik, der viser sig ineffektiv, når bredden af ​​en ø er lille sammenlignet med den karakteristiske størrelse af det område, over hvilket RF-strålen aflejres dens magt.

Dette område betegner "dæmpningslængden, " området, over hvilket RF-effekten typisk vil blive afsat i fravær af ikke-lineær feedback. Effektiviteten af ​​RF-effekten kan reduceres kraftigt, når størrelsen af ​​området er større end øens bredde - en tilstand kaldet "lav -dæmpning" - da meget af strømmen så siver fra øen.

Tokamaks, doughnut-formede fusionsfaciliteter, der kan opleve sådanne problemer, er de mest udbredte enheder af videnskabsmænd rundt om i verden, som søger at producere og kontrollere fusionsreaktioner for at give en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet. Sådanne reaktioner kombinerer lette elementer i form af plasma - stoffets tilstand sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99 procent af det synlige univers - for at generere de enorme mængder energi, der driver solen og stjernerne.

At overvinde problemet

Den nye model forudsiger, at deponering af strålerne i impulser i stedet for steady state-strømme kan overvinde lækageproblemet, sagde Suying Jin, en kandidatstuderende i Princeton-programmet i Plasmafysik baseret på PPPL og hovedforfatter på et papir, der beskriver metoden i Plasmas fysik . "Pulsering kan også opnå øget stabilisering i højdæmpende tilfælde for den samme gennemsnitlige effekt, " hun sagde.

For at denne proces skal fungere, "pulseringen skal udføres med en hastighed, der hverken er for hurtig eller for langsom, " sagde hun. "Dette søde sted burde være i overensstemmelse med den hastighed, hvormed varmen spredes fra øen gennem diffusion."

Den nye model bygger på tidligere arbejde af Jins medforfattere og rådgivere Allan Reiman, en fremtrædende forskningsstipendiat ved PPPL, og professor Nat Fisch, direktør for programmet i plasmafysik ved Princeton University og associeret direktør for akademiske anliggender ved PPPL. Deres forskning giver den ikke-lineære ramme for studiet af RF-effektafsætning for at stabilisere magnetiske øer.

"Betydningen af ​​Suyings arbejde, " sagde Reiman, "er, at det i betydelig grad udvider de værktøjer, der kan bringes i anvendelse på det, der nu anerkendes som måske det vigtigste problem, der står over for økonomisk fusion ved hjælp af tokamak-tilgangen. Tokamaks er plaget af disse naturligt opståede og ustabile øer, som fører til katastrofalt og pludseligt tab af plasmaet."

Tilføjede Fisch:"Suyings arbejde foreslår ikke kun nye kontrolmetoder; hendes identifikation af disse nyligt forudsagte effekter kan tvinge os til at revurdere tidligere eksperimentelle resultater, hvor disse effekter kunne have spillet en ikke værdsat rolle. Hendes arbejde motiverer nu specifikke eksperimenter, der kunne afklare mekanismerne i spil og peger på præcis, hvordan man bedst kan kontrollere disse katastrofale ustabiliteter."

Original model

Den originale model af RF-aflejring viste, at den hæver temperaturen og driver strøm i midten af ​​en ø for at forhindre den i at vokse. Ikke-lineær feedback starter derefter mellem kraftaflejringen og ændringer i temperaturen på øen, hvilket giver mulighed for stærkt forbedret stabilisering. Styring af disse temperaturændringer er diffusionen af ​​varme fra plasmaet ved kanten af ​​øen.

Imidlertid, i højdæmpende regimer, hvor dæmpningslængden er mindre end øens størrelse, denne samme ikke-lineære effekt kan skabe et problem kaldet "skygge" under steady state aflejring, der får RF-strålen til at løbe tør for strøm, før den når midten af ​​øen.

"Vi undersøgte først pulserende RF-skemaer for at løse skyggeproblemet, " sagde Jin. "Men det viste sig, at i højdæmpende regimer forårsager ikke-lineær feedback faktisk pulsering for at forværre skygger, og strålen løber tør for strøm endnu hurtigere. Så vi vendte problemet rundt og fandt ud af, at den ikke-lineære effekt så kan forårsage pulsering for at reducere den strøm, der lækker ud af øen i scenarier med lav dæmpning."

Disse forudsagte tendenser egner sig naturligt til eksperimentel verifikation, sagde Jin. "Sådanne eksperimenter, " bemærkede hun, "ville sigte mod at vise, at pulsering øger temperaturen på en ø, indtil optimal plasmastabilisering er nået."