Undersøgelse viser, at inverterende fusionsplasmaer forbedrer ydeevnen

For at blive kommercielt levedygtige skal fusionskraftværker skabe og opretholde de plasmabetingelser, der er nødvendige for fusionsreaktioner. Ved høje temperaturer og tætheder udvikler plasmaer imidlertid ofte gradienter i disse temperaturer og tætheder. Disse gradienter kan vokse til ustabiliteter såsom edge localized modes (ELM'er).

ELM'er forekommer i plasmakanten og har potentiale til at beskadige den nærliggende reaktorvæg. En funktion, der kan påvirke ELM'er, er plasmaets tværsnitsform.

Forskere bruger udtrykket plasmatriangularitet til at beskrive, hvor meget plasmaformen afviger fra en oval form. De fleste undersøgte plasmaer har positiv trekantethed, hvilket betyder, at de har et D-formet tværsnit med den lodrette del af "D" nær tokamakens midterstolpe.

I nyere forskning studerede forskere negativ trekantethed, den omvendte form med den lodrette del nær ydervæggen. Negative triangularitetsplasmaer er kendt for at udvise en vis selvregulering af gradienter. Gennem omfattende analyse af data fra DIII-D National Fusion Facility-programmet viste forskerne, at denne formgivning i sagens natur var fri for ustabilitet på tværs af forskellige plasmaforhold. Værket er publiceret i tidsskriftet Physical Review Letters .

Denne forskning viste, at plasmaer med negativ triangularitet er fri for potentielt skadelige ustabiliteter i plasmaets kantregion uden at ofre fusionsydelsen. Dette tyder på, at negativ triangularitetsformning stabiliserer ustabiliteter i plasmakanten.

Samtidig opnår den den høje kerneydelse og kantbetingelser, der er nødvendige for at opnå de brændende plasmabetingelser, som fremtidige fusionskraftværker har brug for. Dette resultat tyder på, at negativ trekantet formgivning kunne være en ideel tilgang til design af fusionskraftværker.

Eksperimenter udført med DIII-D National Fusion Facility tokamak udforskede brugen af ​​negativ triangularitetsformning for at begrænse udviklingen af ​​meget ustabile og energiske ELM'er. Arbejdet var en del af et større samarbejde om negativ triangularitet, der omfattede næsten alle institutioner, der forfulgte fusionsforskning i USA.

Mens ELM'er er almindelige under de højtydende plasmaforhold, der er relevante for fusionskraftværker, fandt undersøgelsen, at negativ triangularitetsformning begrænsede udviklingen af ​​temperatur- og trykgradienter, der kan vokse til ELM'er i plasmakanten.

Navnlig viste plasmaer med stærk negativ trekantethed (mindre end -0,15) ingen ustabilitet, selv ved den høje varmeeffekt og kerneydelse, der typisk forårsager ELM'er. Dybdegående analyse af et omfattende DIII-D-datasæt, der repræsenterer en række forhold, herunder den høje kerneydelse og kantkompatibilitet, der er nødvendig for fusionsreaktorer, viste denne ELM-fri natur konsekvent.

Dette arbejde blev muliggjort af den omfattende, high-fidelity diagnostik af DIII-D tokamak, og forbedringer i modellering hjalp med at understøtte konklusionerne, der viser forbedret stabilitet på tværs af det udvidede udvalg af tilstande.

Desuden var denne iboende stabilitet mere robust end ELM-undertrykkelsen opnået med andre tilgange, såsom resonansmagnetiske forstyrrelser for at undertrykke ELM'er eller drift i et ELM-frit regime. Negativ triangularitetsformning har således potentialet til at begrænse de højenergiske, skadelige plasma-ustabiliteter, som i øjeblikket er en stor udfordring i design af fusionskraftværker. Dette indikerer, at den negative triangularitetstilgang berettiger yderligere undersøgelse til anvendelse i fusionskraftværksdesign.

Flere oplysninger: A. O. Nelson et al., Robust Avoidance of Edge-Localized Modes sideløbende med gradientdannelse i den negative triangularitet Tokamak Edge, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.195101. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.13458

Journaloplysninger: Physical Review Letters , arXiv

Leveret af det amerikanske energiministerium