Byg en stjerne i en mindre krukke

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fået en bedre forståelse af en lovende metode til at forbedre indeslutningen af ​​superhot fusionsplasma ved hjælp af magnetiske felter. Forbedret plasma indeslutning kunne gøre det muligt at bygge en fusionsreaktor kaldet en sfærisk tokamak mindre og billigere, flytte verden tættere på at reproducere på Jorden den fusionsenergi, der driver solen og stjernerne.

Den forbedrede indeslutning er muliggjort af den såkaldte forbedrede piedestal (EP) H-mode, en række af de høje ydeevne, eller H-tilstand, plasmatilstand, der er blevet observeret i årtier i tokamaks rundt om i verden. Når et fusionsplasma går ind i H-tilstand, det kræver mindre opvarmning at nå de supervarme temperaturer, der er nødvendige for fusionsreaktioner.

Den nye forståelse afslører nogle af de underliggende mekanikker i EP H-mode, en tilstand, som forskere opdagede for mere end ti år siden. Forskere ledet af fysikere ved PPPL har nu fundet ud af, at EP H-mode forbedrer H-mode i sfæriske tokamaks ved at sænke tætheden af ​​plasmakanten.

Den reducerede tæthed opstår i EP H-tilstand, når små ustabiliteter i plasmakanten udstøder relativt koldt, lavenergipartikler. Med færre kolde partikler at støde ind i, de varmere partikler i plasmaet er mindre tilbøjelige til at lække ud.

"Når de højere energipartikler forbliver i plasmaet i større mængder, de øger trykket i plasmaet, fodre de ustabiliteter, der kaster koldere partikler ud og yderligere sænke kanttætheden, " sagde PPPL-fysiker Devon Battaglia, hovedforfatter af et papir, der rapporterer resultaterne i Plasmas fysik . "Ultimativt, den tilfældige interaktion gør det muligt for plasmaet at forblive varmere med den samme opvarmning og lille ændring af den gennemsnitlige plasmadensitet."

Fysikere ønsker at forstå de forhold, hvorunder EP H-mode opstår, så de kan genskabe dem i fremtidige fusionskraftværker. "Hvis vi kunne køre plasmaet med denne egenskab på en steady-state måde, det ville give en yderligere vej til at optimere størrelsen og effektforøgelsen af ​​fremtidige fusionsreaktorer, " sagde PPPL-fysiker Walter Guttenfelder, en af ​​de forskere, der har bidraget til resultaterne.

Fusionsreaktorer kombinerer lette elementer i form af plasma - de varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - til at generere store mængder energi. Forskere bruger fusionsreaktorer til at udvikle den proces, der driver solen og stjernerne til en næsten uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Fysikerne Rajesh Maingi og David Gates opdagede EP H-mode i 2009, mens de brugte PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX), forgængeren for National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U). "Deres opdagelse var spændende, fordi det indelukkede plasma reorganiserede sig og gjorde et bedre stykke arbejde med at holde på sin varme uden en stor ændring i mængden af ​​plasma, " sagde Battaglia.

"Det er som at tilføje bedre isolering til dit hus, " sagde han. "Jo mere plasmaet holder på sin varme, jo mindre du kan gøre enheden, da du ikke behøver yderligere lag plasma for at isolere den varme kerne." Desuden, han tilføjede, "ved at tage et spring i vores forståelse af, hvordan EP H-mode opstår, vi kan have mere tillid til at kunne forudsige, om det kommer til at ske. Det næste trin er at bruge de nye muligheder i NSTX-U til at demonstrere, at vi kan drage fordel af denne proces i vores design til fusionsreaktorer."