En tilbagevenden til rødderne:Lab bygger sin første stellarator i 50 år og åbner døren for forskning i ny plasmafysik

Løsning af et langvarigt ingeniørproblem

Opfundet for mere end 70 år siden af ​​PPPL-grundlægger Lyman Spitzer, er stjerneratorer kun ét koncept for fusionsfaciliteter. En anden er den doughnut-formede eller kerne-æble-formede tokamak, ligesom PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment-Upgrade, som begrænser plasma ved hjælp af relativt simple magneter. I årtier har dette været det foretrukne design for forskere over hele verden på grund af, hvor godt enhederne begrænser plasma.

Tokamaks er dog også afhængige af magnetiske felter skabt af elektriske strømme, der løber gennem midten af ​​plasmaet, hvilket skaber ustabiliteter, der forstyrrer fusionsreaktionerne. Stellaratorer kan dog fungere uden sådanne strømme og kan derfor køre i ubestemte perioder. Men deres komplicerede magneter, som er svære at designe og bygge, har i årevis betydet, at stellaratorer ikke var økonomiske eller praktiske muligheder for fusionskraftværker.

Derfor er MUSE's succes med at demonstrere, at stjernerne kan fungere ved hjælp af simple magneter, så vigtig. "Typiske stellaratormagneter er meget svære at bearbejde, fordi du skal gøre det meget præcist," sagde Amelia Chambliss, en kandidatstuderende ved Columbia University's Department of Applied Physics and Applied Mathematics, som hjalp med at designe MUSE under et DOE Science Undergraduate Laboratory Praktik ved PPPL en nogle år siden. "Så idéen om, at vi kan bruge masser af diskrete magneter til at udføre arbejdet i stedet for, er meget spændende. Det er et meget lettere ingeniørproblem."

Realisering af en teoretisk egenskab

Udover at være et ingeniørmæssigt gennembrud, udviser MUSE også en teoretisk egenskab kendt som kvasisymmetri i højere grad end nogen anden stjernestjerne har før. Det er også den første enhed, der er færdiggjort noget sted i verden, og som er designet specifikt til at have en type kvasisymmetri kendt som kvasiaaksymmetri.

Udtænkt af fysiker Allen Boozer ved PPPL i begyndelsen af ​​1980'erne, betyder kvasisymmetri, at selvom formen af ​​magnetfeltet inde i stjernebilledet måske ikke er den samme omkring stjernebilledets fysiske form, er magnetfeltets styrke ensartet omkring enheden, hvilket fører til god plasmaindeslutning og større sandsynlighed for, at der vil opstå fusionsreaktioner. "Faktisk er MUSE's kvasisymmetri-optimering mindst 100 gange bedre end nogen eksisterende stellarator," sagde Zarnstorff.

"Det faktum, at vi var i stand til at designe og bygge denne stellarator, er en sand præstation," sagde Qian.

I fremtiden planlægger PPPL-teamet at køre en række eksperimenter for at bestemme den nøjagtige karakter af MUSE's kvasisymmetri og dermed finde ud af, hvor godt enheden forhindrer varme partikler i at bevæge sig fra kernen af ​​plasmaet til kanten, hvilket gør fusionsreaktioner vanskeligere . Metoderne vil omfatte kortlægning af magnetfelterne mere præcist og måling af, hvordan det roterende plasma bremser, hvilket afhænger af enhedens kvasisymmetri.

MUSE demonstrerer den type innovation, der er mulig på et amerikansk nationalt laboratorium. "For mig er det vigtigste ved MUSE, at det repræsenterer en kreativ måde at løse et vanskeligt problem på," sagde Chambliss. "Den bruger masser af åbensindede og innovative tilgange til at løse langvarige stjerneproblemer. Så længe samfundet fortsætter med at tænke på denne fleksible måde, vil vi være i god form."

Flere oplysninger: T.M. Qian et al, Design og konstruktion af MUSE permanent magnet stellarator, Journal of Plasma Physics (2023). DOI:10.1017/S0022377823000880

T. Qian et al., Simpler optimized stellaratorer using permanent magnets, Nuclear Fusion (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac6c99

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory