Nyt feedback-system kan forbedre effektiviteten af ​​fusionsreaktioner

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har forfinet brugen af ​​magnetiske felter for at forbedre ydeevnen af ​​doughnut-formede fusionsfaciliteter kendt som tokamaks. Den forbedrede teknik beskytter interne dele mod beskadigelse af ustabilitet kaldet "edge-localized modes" (ELM'er) og tillader tokamaks at fungere i længere tid uden at holde pause.

"Vores hovedresultat er, at vi viste, at vores teknik kan undertrykke ELM'er og samtidig maksimere plasmaydelsen," sagde Ricardo Shousha, en kandidatstuderende i plasmakontrolgruppen i Princeton University's Mechanical and Aerospace Engineering Department, som er tilknyttet PPPL. Shousha er hovedforfatter på et papir, der rapporterer resultaterne i Physics of Plasmas .

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, kombinerer lette elementer i form af plasma - den varme, ladede tilstand af stof bestående af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Forskerne brugte Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-faciliteten til at studere forhold, hvorunder plasmacentret bliver særligt varmt og tæt. Denne ønskelige tilstand, kendt som H-tilstand, kan forekomme, når der er en skarp adskillelse mellem midten og den koldere kant; forskere ønsker, at plasmaet skal være i H-tilstand, fordi det producerer mere effektive fusionsreaktioner. Men fordi temperaturen og tætheden i de to regioner er så drastisk forskellige, dannes der ELM-ustabilitet langs grænsen, ligesom der kan dannes tordenvejr, hvor varme og kolde fronter mødes. Disse ustabiliteter kan forårsage sprøjt, der ligner soludbrud, gigantiske bøvser af plasma, der bryder ud fra solens overflade.

Når disse hændelser opstår i tokamaks, kan de beskadige de indvendige vægge og komponenter, hvilket kræver, at maskinen lukkes ned for reparation. Risikoen er endnu højere for ITER, den multinationale tokamak, der bygges i Cadarache, Frankrig for at bevise gennemførligheden af ​​fusion som en storstilet og kulstoffri energikilde, da denne enhed vil skabe plasma, der har langt mere varme og kraft end nuværende tokamak-plasmaer gør.

Så fysikere har et dilemma. De ønsker, at plasmaet skal være i H-tilstand, men H-tilstand fører til ustabilitet, der kan beskadige tokamak. Shousha og de andre forskere fokuserede på at bruge magnetiske felter til at dæmpe ustabiliteterne, en metode, der blev opdaget i 2003. De anvendte felter reducerer ustabiliteter ved at tillade partikler at strømme gennem grænsen. Men en bivirkning er, at plasmaet afkøles, og fusionsreaktionerne bliver mindre effektive.

Forskerholdet adresserede dette problem ved at kombinere magneter med et feedbacksystem. Kombinationen bestemmer det svageste magnetfelt, der kan undertrykke ELM'erne, mens det minimerer, hvor meget felterne forringer H-tilstandsforholdene. "Det er den nye del af vores forskning," sagde Shousha.

Resultaterne kom fra de kandidatstuderendes dedikation kombineret med et internationalt netværk af forskere og institutioner. "At være en del af PPPL og Princeton University er en fantastisk mulighed for kandidatstuderende," sagde Egemen Kolemen, en lektor i Princeton Universitys maskin- og rumfartsingeniørafdeling, som har en fælles aftale med PPPL og er medforfatter til papiret. "De kan køre eksperimenter hvor som helst i verden - USA, Kina, Tyskland, Sydkorea - og de har chancen for at kontrollere disse kraftfulde maskiner. Og de gør det rigtig godt. Så længe de har viljen, har vi vejen ."

Forskerne planlægger at forfine deres system, så det kan registrere signaler, der varsler ELM'ernes komme, så magneterne kan begynde at forhindre dem, før de opstår. "Ideen er, at hvis vi kan opdage disse forløbersignaler hurtigt, kan vi gribe ind, før den forestående ELM dukker op og potentielt forhindre det," sagde Shousha. + Udforsk yderligere

Krydsbestøvningsfysikere bruger ny teknik til at forbedre designet af faciliteter, der sigter mod at høste fusionsenergi