Skaber et ø-paradis i en fusionsreaktor

I deres igangværende søgen efter at udvikle en række metoder til at styre plasma, så det kan bruges til at generere elektricitet i en proces kendt som fusion, har forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) vist, hvordan to gamle metoder kan kombineres for at give større fleksibilitet.

Mens de to metoder - kendt som elektroncyklotronstrømdrev (ECCD) og anvendelse af resonansmagnetiske forstyrrelser (RMP) - længe er blevet undersøgt, er det første gang, forskere har simuleret, hvordan de kan bruges sammen til at give forbedret plasmakontrol.

"Dette er en slags ny idé," sagde Qiming Hu, en forskningsfysiker ved PPPL og hovedforfatter af et nyt papir offentliggjort i Nuclear Fusion om arbejdet, som også er blevet demonstreret eksperimentelt. "De fulde muligheder er stadig ved at blive fundet ud af, men vores papir gør et godt stykke arbejde med at fremme vores forståelse af de potentielle fordele."

I sidste ende håber forskerne at bruge fusion til at generere elektricitet. For det første bliver de nødt til at overvinde adskillige forhindringer, herunder perfektion af metoder til at minimere udbrud af partikler fra plasmaet, der er kendt som edge-localized modes (ELM'er).

"Periodisk frigiver disse udbrud en lille smule pres, fordi det er for meget. Men disse udbrud kan være farlige," sagde Hu, der arbejder for PPPL på DIII-D National Fusion Facility, en DOE-brugerfacilitet, der er hostet af General Atomics. DIII-D er en tokamak, en enhed, der bruger magnetiske felter til at begrænse et fusionsplasma i en donutform. ELM'er kan afslutte en fusionsreaktion og endda beskadige tokamak, så forskere har udviklet mange måder at forsøge at undgå dem på.

"Den bedste måde, vi har fundet til at undgå dem på, er ved at anvende resonansmagnetiske forstyrrelser eller RMP'er, der genererer yderligere magnetiske felter," sagde PPPLs hovedforskningsfysiker Alessandro Bortolon, som var en af ​​medforfatterne til papiret.

Magnetiske felter genererer øer, mikrobølger justerer dem

De magnetiske felter, der oprindeligt blev påført af tokamak, snor sig rundt om det torusformede plasma, både den lange vej - rundt om den ydre kant og den korte vej - fra den ydre kant og gennem centerhullet. De yderligere magnetiske felter, der skabes af RMP'erne, bevæger sig gennem plasmaet og væver sig ind og ud som en kloaksøm. Disse felter producerer ovale eller cirkulære magnetiske felter i plasmaet kaldet magnetiske øer.

"Normalt er øer i plasma virkelig, virkelig dårlige. Hvis øerne er for store, kan selve plasmaet forstyrre."

Forskerne vidste dog allerede eksperimentelt, at øerne under visse forhold kan være gavnlige. Den svære del er at generere RMP'er, der er store nok til at generere øerne. Det er her, ECCD, som dybest set er en mikrobølgestråleinjektion, kommer ind. Forskerne fandt ud af, at tilføjelse af ECCD til plasmaets kant sænker mængden af ​​strøm, der kræves for at generere de RMP'er, der er nødvendige for at lave øerne.

Mikrobølgestråleinjektionen gjorde det også muligt for forskerne at perfektionere størrelsen af ​​øerne for maksimal plasmakantstabilitet. Metaforisk fungerer RMP'erne som en simpel lyskontakt, der tænder for øerne, mens ECCD fungerer som en ekstra lysdæmperkontakt, der lader forskerne justere øerne til den ideelle størrelse for et håndterbart plasma.

"Vores simulering forfiner vores forståelse af interaktionerne i spil," sagde Hu. "Når ECCD blev tilføjet i samme retning som strømmen i plasmaet, faldt øens bredde, og piedestaltrykket steg. Anvendelse af ECCD i den modsatte retning gav modsatte resultater, hvor øens bredde steg og piedestaltrykket faldt eller lette åbningen af ​​øen."

ECCD ved kanten i stedet for kernen

Forskningen er også bemærkelsesværdig, fordi ECCD blev tilføjet til plasmaets kant i stedet for kernen, hvor det typisk bruges.

"Normalt tror folk, at det er risikabelt at anvende lokaliseret ECCD ved plasmakanten, fordi mikrobølgerne kan beskadige komponenter i kar," sagde Hu. "Vi har vist, at det kan lade sig gøre, og vi har demonstreret fleksibiliteten i tilgangen. Dette kan åbne nye muligheder for at designe fremtidige enheder."

Ved at sænke mængden af ​​strøm, der kræves for at generere RMP'erne, kan dette simuleringsarbejde i sidste ende føre til at sænke omkostningerne ved fusionsenergiproduktion i fremtidens fusionsenheder i kommerciel skala.

Flere oplysninger: Q.M. Hu et al., Effekter af kantlokaliseret elektroncyklotronstrømdrev på kantlokaliseret tilstandsundertrykkelse ved resonansmagnetiske forstyrrelser i DIII-D, Nuclear Fusion (2024). DOI:10.1088/1741-4326/ad2ca8

N.C. Logan et al., Adgang til stabile højtryks-tokamak-sokler ved hjælp af lokalt elektroncyklotronstrømdrev, Nuclear Fusion (2023). DOI:10.1088/1741-4326/ad0fbe

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory