En måde at forbedre en fusionsreaktion på:Brug svagheder som styrker

I den japanske kunst Kintsugi tager en kunstner de ødelagte skår af en skål og smelter dem sammen med guld for at gøre et slutprodukt smukkere end originalen.

Den idé inspirerer til en ny tilgang til håndtering af plasma, den supervarme tilstand af stof, til brug som strømkilde. Forskere bruger de ufuldkommenheder i magnetiske felter, der begrænser en reaktion til at forbedre og forbedre plasmaet i en tilgang, der er skitseret i et papir i tidsskriftet Nature Communications .

"Denne tilgang giver dig mulighed for at opretholde et højtydende plasma, der kontrollerer ustabiliteter i kernen og kanten af ​​plasmaet samtidigt. Den samtidige kontrol er særlig vigtig og vanskelig at udføre. Det er det, der gør dette arbejde specielt," sagde Joseph Snipes fra US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Han er PPPL's ​​stedfortrædende leder af Tokamak Experimental Science Department og var medforfatter af papiret.

PPPL-fysiker Seong-Moo Yang ledede forskerholdet, som spænder over forskellige institutioner i USA og Sydkorea. Yang siger, at dette er første gang, et forskerhold har valideret en systematisk tilgang til at skræddersy magnetiske feltufuldkommenheder for at gøre plasmaet egnet til brug som strømkilde. Disse magnetiske feltufuldkommenheder er kendt som fejlfelter.

"Vores nye metode identificerer optimale fejlfeltkorrektioner, hvilket forbedrer plasmastabiliteten," sagde Yang. "Denne metode har vist sig at forbedre plasmastabiliteten under forskellige plasmabetingelser, for eksempel når plasmaet var under forhold med høj og lav magnetisk indeslutning."

Fejl, der er svære at rette

Fejlfelter er typisk forårsaget af små defekter i magnetspolerne i den enhed, der holder plasmaet, som kaldes en tokamak. Indtil nu blev fejlfelter kun set som gener, fordi selv et meget lille fejlfelt kunne forårsage en plasmaforstyrrelse, der stopper fusionsreaktioner og kan beskadige væggene i et fusionskar. Derfor har fusionsforskere brugt megen tid og kræfter på omhyggeligt at finde måder at rette fejlfelter på.

"Det er ret svært at eliminere eksisterende fejlfelter, så i stedet for at rette disse spoleuregelmæssigheder, kan vi anvende yderligere magnetiske felter omkring fusionsbeholderen i en proces kendt som fejlfeltkorrektion," sagde Yang.

Tidligere ville denne tilgang også have skadet plasmaets kerne, hvilket gjorde plasmaet uegnet til fusionskraftproduktion. Denne gang var forskerne i stand til at eliminere ustabiliteter ved kanten af ​​plasmaet og opretholde stabiliteten af ​​kernen. Forskningen er et glimrende eksempel på, hvordan PPPL-forskere bygger bro mellem nutidens fusionsteknologi og det, der skal til for at bringe fusionskraft til det elektriske net.

"Dette er faktisk en meget effektiv måde at bryde symmetrien i systemet på, så mennesker med vilje kan forringe indespærringen. Det er som at lave et meget lille hul i en ballon, så den ikke eksploderer," siger SangKyeun Kim, en stabsforsker. ved PPPL og papir medforfatter. Ligesom luft ville lække ud af et lille hul i en ballon, siver en lille mængde plasma ud af fejlfeltet, hvilket hjælper med at bevare dets generelle stabilitet.

Styring af kernen og kanten af ​​plasmaet samtidigt

En af de sværeste dele af at styre en fusionsreaktion er at få både kernen og kanten af ​​plasmaet til at opføre sig på samme tid. Der er ideelle zoner for plasmaets temperatur og tæthed i begge områder, og det er svært at ramme disse mål, mens det er svært at eliminere ustabilitet.

Denne undersøgelse viser, at justering af fejlfelterne samtidigt kan stabilisere både kernen og kanten af ​​plasmaet. Ved omhyggeligt at kontrollere de magnetiske felter, der produceres af tokamaksens spoler, kunne forskerne undertrykke kantinstabiliteter, også kendt som edge localized modes (ELM'er), uden at forårsage forstyrrelser eller et væsentligt tab af indespærring.

"Vi forsøger at beskytte enheden," sagde PPPL Staff Research Physicist Qiming Hu, en forfatter til papiret.

Udvidelse af forskningen ud over KSTAR

Forskningen blev udført ved hjælp af KSTAR tokamak i Sydkorea, som skiller sig ud for sin evne til at justere sin magnetiske fejlfeltkonfiguration med stor fleksibilitet. Denne evne er afgørende for at eksperimentere med forskellige fejlfeltkonfigurationer for at finde de mest effektive til at stabilisere plasmaet.

Forskerne siger, at deres tilgang har betydelige konsekvenser for designet af fremtidige tokamak-fusionspilotanlæg, hvilket potentielt gør dem mere effektive og pålidelige. De arbejder i øjeblikket på en kunstig intelligens (AI) version af deres kontrolsystem for at gøre det mere effektivt.

"Disse modeller er ret komplekse; de ​​tager lidt tid at beregne. Men når du vil gøre noget i et real-time kontrolsystem, har du kun råd til et par millisekunder til at lave en beregning," sagde Snipes. "Ved at bruge AI kan du grundlæggende lære systemet, hvad det kan forvente, og være i stand til at bruge den kunstige intelligens til at forudsige, hvad der vil være nødvendigt for at kontrollere plasmaet, og hvordan det implementeres i realtid."

Mens deres nye papir fremhæver arbejde udført ved hjælp af KSTARs interne magnetspoler, foreslår Hu, at fremtidig forskning med magnetspoler uden for fusionsbeholderen ville være værdifuld, fordi fusionssamfundet bevæger sig væk fra ideen om at huse sådanne spoler inde i det vakuumforseglede kar pga. den potentielle ødelæggelse af sådanne komponenter fra den ekstreme varme fra plasmaet.

Flere oplysninger: SeongMoo Yang et al., Skræddersy tokamak-fejlfelter til at kontrollere plasma-ustabiliteter og -transport, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45454-1

Journaloplysninger: Nature Communications

Leveret af Princeton Plasma Physics Laboratory