Natuurkundige Sam Lazerson van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft samen met Duitse wetenschappers bevestigd dat het Wendelstein 7-X (W7-X) fusie-energieapparaat een stellarator wordt genoemd in Greifswald, Duitsland, produceert hoogwaardige magnetische velden die passen bij hun complexe ontwerp.

De bevindingen, gepubliceerd in het nummer van 30 november van Natuurcommunicatie , onthulde een foutveld - of afwijking van de ontworpen configuratie - van minder dan één deel op 100, 000. Dergelijke resultaten kunnen een belangrijke stap worden in de richting van het verifiëren van de haalbaarheid van stellarators als modellen voor toekomstige fusiereactoren.

W7-X, waarvoor PPPL de belangrijkste Amerikaanse medewerker is, is de grootste en meest geavanceerde stellarator ter wereld. Gebouwd door het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Greifswald, het werd in 2015 voltooid als de voorhoede van het stellarator-ontwerp. Andere medewerkers van het Amerikaanse team zijn onder meer DOE's Oak Ridge en Los Alamos National Laboratories, samen met de Auburn University, het Massachusetts Institute of Technology, de Universiteit van Wisconsin-Madison en Xanthos Technologies.

Twisty magnetische velden

Stellarators beperken de hete, geladen gas, ook wel bekend als plasma, die fusiereacties in kronkelige of 3D-magnetische velden voedt, vergeleken met de symmetrische of 2D-velden die de meer algemeen gebruikte tokamaks creëren. Door de bochtige configuratie kunnen stellarators het plasma regelen zonder dat de stroom nodig is die tokamaks in het gas moeten induceren om het magnetische veld te voltooien. Stellarator plasma's lopen dus weinig risico op verstoring, zoals kan gebeuren in tokamaks, waardoor de interne stroom abrupt stopt en fusiereacties worden uitgeschakeld.

PPPL heeft een sleutelrol gespeeld in het W7-X-project. Het laboratorium ontwierp en leverde vijf trimspoelen ter grootte van een staldeur die de magnetische velden van de stellarator nauwkeurig afstellen en hun meting mogelijk maakten. "We hebben bevestigd dat de magnetische kooi die we hebben gebouwd werkt zoals ontworpen, " zei Lazerson, die ongeveer de helft van de experimenten leidde die de configuratie van het veld valideerden. "Dit weerspiegelt Amerikaanse bijdragen aan W7-X, " hij voegde toe, "en benadrukt het vermogen van PPPL om internationale samenwerkingen aan te gaan." Ondersteuning voor dit werk komt van Euratom en het DOE Office of Science.

Om het magnetische veld te meten, de wetenschappers lanceerden een elektronenstraal langs de veldlijnen. Vervolgens verkregen ze een dwarsdoorsnede van het gehele magnetische oppervlak door een fluorescerende staaf te gebruiken om de lijnen te snijden en te vegen, waardoor fluorescerend licht in de vorm van het oppervlak wordt opgewekt.

Opmerkelijke trouw

De resultaten toonden een opmerkelijke trouw aan het ontwerp van het zeer complexe magnetische veld. "Voor zover we weten, " de auteurs schrijven over de discrepantie van minder dan één deel op 100, 000, "dit is een ongekende nauwkeurigheid, zowel wat betreft de as-built engineering van een fusie-apparaat, evenals bij het meten van magnetische topologie."

De W7-X is de meest recente versie van het stellarator-concept, welke Lyman Spitzer, een astrofysicus van Princeton University en oprichter van PPPL, ontstaan ​​in de jaren vijftig. Stellarators maakten een decennium later meestal plaats voor tokamaks, omdat de donutvormige faciliteiten eenvoudiger te ontwerpen en te bouwen zijn en plasma over het algemeen beter insluiten. Maar recente ontwikkelingen in plasmatheorie en rekenkracht hebben geleid tot hernieuwde interesse in stellarators.

Door dergelijke ontwikkelingen vroegen de auteurs zich af of apparaten zoals de W7-X een antwoord kunnen bieden op de vraag of stellarators het juiste concept voor fusie-energie zijn. Jarenlang plasmafysica-onderzoek zal nodig zijn om erachter te komen, zij concluderen, en "die taak is net begonnen."