Onderzoekers die werken bij de DIII-D National Fusion Facility bij General Atomics (GA) hebben een belangrijk nieuw hulpmiddel ontwikkeld voor het regelen van fusieplasma's die heter zijn dan de zon.

Energie en momentum in het magnetisch ingesloten plasma van DIII-D wordt geleverd door grote straalsystemen met neutrale deeltjes, en GA's recente demonstratie van nauwkeurige controle van geïnjecteerd vermogen en koppel is een primeur. Wetenschappers zijn nu in staat om deze inputs voor te programmeren gedurende de duur van plasma-ontladingen ("shots" genoemd). GA leidde de ontwikkelingsinspanning in samenwerking met wetenschappers van de University of California-Irvine en Princeton Plasma Physics Laboratory.

Eerder, deze ingangen zijn op maat gemaakt met behulp van aan / uit-modulatie van neutrale stralen, met grote verstoringen tot gevolg, d.w.z. machtswisselingen. De nieuwe methode maakt afzonderlijke en continue specificatie van vermogen en koppel mogelijk, inclusief de belangrijke mogelijkheid om een ​​vast geïnjecteerd vermogensniveau te handhaven terwijl het koppel wordt gevarieerd.

Het veranderen van de manier waarop dit systeem werkt, is een aanzienlijke inspanning, rekening houdend met de grootte en complexiteit van elk balksysteem; er zijn vier behuizingen ter grootte van een vrachtwagen voor in totaal acht balken bij DIII-D (Figuur 1). Het neutrale bundelsysteem injecteert tot 20 megawatt aan vermogen, ongeveer het vermogen dat wordt gebruikt door 15, 000 woningen.

Vroeger, neutrale bundels hebben gewerkt door ionen te versnellen door een hoge spanning (ongeveer 90, 000 volt, vergeleken met de 120 volt van een typisch huishoudelijk stopcontact) die in de tijd is vastgesteld, en ze vervolgens door een kamer van dicht gas leiden waar ze neutraliseren en in het gemagnetiseerde plasma vliegen. Een hoge versnellingsspanning is nodig om de snelheid van het resulterende neutrale atoom en het bundelverwarmingsvermogen te maximaliseren.

Experimenten in de afgelopen jaren hebben aangetoond dat de snelheid van de bundeldeeltjes elektromagnetische plasmagolven kan produceren of versterken die die bundeldeeltjes uit het plasma en in de wanden van de tokamak schoppen. Dit levert een dilemma op omdat grootlichtvermogen nodig is om fusietemperaturen te bereiken, maar het verlies van bundeldeeltjes verlaagt de temperatuur en kan leiden tot kostbare schade langs de tokamak-wanden.

De oplossing is om de hoogspanning van de straal in de loop van de tijd te variëren, waardoor bundeldeeltjesverliezen als gevolg van plasmagolven worden verminderd, terwijl het ingangsvermogen van de bundel wordt gemaximaliseerd. Als het plasma wordt verwarmd, het gedrag van de plasmagolven verandert zodanig dat bundeldeeltjes van verschillende snelheden een interactie aangaan met de golven. Nutsvoorzieningen, de DIII-D neutrale bundels kunnen voorgeprogrammeerde spanningsprofielen worden gegeven die golf-deeltjesinteracties minimaliseren. Hierdoor blijven de bundeldeeltjes in het plasma en kan de bundelspanning worden verhoogd tot hogere niveaus die het ingangsverwarmingsvermogen maximaliseren. Een voorbeeld van verminderde plasmagolfactiviteit wordt getoond in de onderstaande grafieken (Figuur 2), waar vergelijkbare plasmacondities zeer verschillende golven produceren op basis van de tijdsevolutie van de bundelspanning.

"Dit project omvatte twee jaar waarin ingenieurs en natuurkundigen hard werkten om iets nieuws te creëren, en het is geweldig om te zien dat het met succes werkt op DIII-D, " zei Dr. David Pace, een natuurkundige die het project leidde voor de GA Energy Group, "Nu kunnen we ons concentreren op de volgende spannende stap, wat alle manieren laat zien waarop deze bundels met variabele spanning magnetische fusie in machines over de hele wereld kunnen verbeteren."

De eerste resultaten worden gepresenteerd door Tim Scoville, hoofd van de Neutral Beam Group bij DIII-D, op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society Division of Plasma Physics, 31 oktober - 4 november. Dit werk wordt ondersteund door het Amerikaanse ministerie van Energie, Bureau van Wetenschap, Bureau van Fusion Energy Sciences, in de DIII-D-faciliteit die wordt geëxploiteerd door GA.