Plasmafusion:Tilføjer lige nok brændstof til bålet

Hvor meget brændstof kan vi tilføje til bålet, mens vi stadig bevarer kontrollen? Metaforisk set er det spørgsmålet, som et hold ved det amerikanske energiministeriums Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har stillet sig selv på det seneste.

Nu mener de, at de har svaret på et bestemt scenarie. Det er alt sammen en del af laboratoriets arbejde med at bringe energi fra fusion til elnettet.

Med udgangspunkt i de seneste resultater, der viser løftet om at belægge den indre overflade af karret, der indeholder et fusionsplasma i flydende lithium, har forskerne bestemt den maksimale tæthed af uladede eller neutrale partikler ved kanten af ​​et plasma, før kanten af ​​plasmaet køler af og visse ustabiliteter bliver uforudsigelige.

At kende den maksimale tæthed for neutrale partikler ved kanten af ​​et fusionsplasma er vigtigt, fordi det giver forskerne en fornemmelse af, hvordan og hvor meget de skal brænde fusionsreaktionen.

Forskningen, som er omtalt i et nyt papir i Nuclear Fusion, omfatter observationer, numeriske simuleringer og analyser fra deres eksperimenter inde i en fusionsplasmabeholder kaldet Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).

Det unikke miljø med LTX-β

LTX-β er et af mange fusionskar rundt om i verden, der holder plasma i en donutform ved hjælp af magnetiske felter. Sådanne fartøjer er kendt som tokamaks. Det, der gør denne tokamak speciel, er, at dens indvendige vægge næsten kan belægges med lithium. Dette ændrer fundamentalt vægadfærden, da lithium holder på en meget høj procentdel af brintatomerne, der kommer fra plasmaet.

Uden lithium ville langt mere brint hoppe af væggene og tilbage i plasmaet. I begyndelsen af ​​2024 rapporterede forskerholdet, at dette lave genanvendelsesmiljø for brint holder selve kanten af ​​plasmaet varm, hvilket gør plasmaet mere stabilt og giver plads til en større volumen plasma.

"Vi forsøger at vise, at en lithiumvæg kan muliggøre en mindre fusionsreaktor, hvilket vil udmønte sig i en højere effekttæthed," sagde Richard Majeski, en administrerende forskningsfysiker ved PPPL og leder af LTX-β. I sidste ende kan denne forskning omsættes til den omkostningseffektive fusionskraftkilde, som verden har brug for.

Nu har LTX-β-holdet offentliggjort yderligere resultater, der viser forholdet mellem brændstoffet til plasmaet og dets stabilitet. Specifikt fandt forskerne den maksimale tæthed af neutrale partikler ved kanten af ​​plasma inde i LTX-β, før kanten begynder at afkøle, hvilket potentielt kan føre til stabilitetsproblemer.

Forskerne mener, at de kan reducere sandsynligheden for visse ustabiliteter ved at holde tætheden ved kanten af ​​plasmaet under deres nyligt definerede niveau på 1 x 10 ¹⁹ m ^–3 . Det er første gang, et sådant niveau er blevet etableret for LTX-β, og ved at vide, at det er et stort skridt i deres mission at bevise, at lithium er det ideelle valg til en indvendig vægbelægning i en tokamak, fordi det guider dem mod den bedste praksis for at brænde deres plasmaer.

I LTX-β brændes fusionen på to måder:ved hjælp af pust af brintgas fra kanten og en stråle af neutrale partikler. Forskere er ved at raffinere, hvordan man bruger begge metoder i tandem for at skabe et optimalt plasma, der vil opretholde fusion i lang tid i fremtidige fusionsreaktorer og samtidig generere nok energi til at gøre det praktisk for elnettet.

Forfiningsmetoder til at bevare en jævn temperatur over plasmaet

Fysikere sammenligner ofte temperaturen ved dens kant med dens kernetemperatur for at vurdere, hvor let det vil være at styre. De plotter disse tal på en graf og betragter linjens hældning. Hvis temperaturen ved den indre kerne og yderkanten er næsten den samme, er linjen næsten flad, så de kalder det en flad temperaturprofil. Hvis temperaturen i yderkanten er væsentligt lavere end temperaturen ved den indre kerne, kalder forskerne det en toptemperaturprofil.

"Teamet bestemte den maksimale tæthed af neutrale partikler ud over kanten af ​​et plasma, der stadig giver mulighed for en flad-kant temperaturprofil. At gå ud over det antal neutrale partikler ved kanten vil helt sikkert falde din kanttemperatur, og du vil ende i en toptemperaturprofil," sagde Santanu Banerjee, en stabsforsker ved PPPL og hovedforfatter på det nye papir.

"Den samme neutrale tæthed er tærsklen for ustabilitet kendt som rivetilstande. Ud over denne tæthed har rivningstilstande en tendens til at blive destabiliserede, forårsage trusler mod plasmaet og kan stoppe fusionsreaktionen, hvis den efterlades ukontrolleret."

Hvis ustabiliteterne bliver for store, vil fusionsreaktionen ende. For at understøtte elnettet er forskere ved at finde ud af de bedste måder at styre et fusionsplasma på, så reaktionen er stabil.

Banerjee og Majeski arbejdede sammen med flere andre forskere på papiret, herunder PPPL's ​​Dennis Boyle, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta og Ron Bell.

Arbejdet med projektet fortsætter. PPPL-ingeniør Dylan Corl optimerer retningen, hvori den neutrale stråle, som bruges til at opvarme plasmaet, sprøjtes ind i tokamak. "Vi skaber dybest set en ny havn til det," sagde Corl. Han bruger en 3D-model af LTX-β og tester forskellige strålebaner for at sikre, at strålen ikke rammer en anden del af udstyret, såsom værktøjer, der bruges til at måle plasmaet. "Det har været en udfordring at finde den bedste vinkel, men jeg tror, ​​vi har fået det nu," sagde Corl.

Flere oplysninger: Santanu Banerjee et al., Undersøgelse af kantneutrales rolle i spændende rivetilstandsaktivitet og opnåelse af flade temperaturprofiler i LTX-β, Nuclear Fusion (2024). DOI:10.1088/1741-4326/ad2ca7

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory