"Twee keer meten, een keer snijden" is een oud timmermans gezegde - een herinnering dat een zorgvuldige planning op de lange termijn tijd en materiaal kan besparen.

Het concept is ook van toepassing op het ontwerp van stellarators, Dit zijn complexe kernfusie-experimenten die bedoeld zijn om het potentieel van kernfusie als energiebron te onderzoeken. Stellarators werken door een ring van gloeiend heet plasma op te sluiten in een nauwkeurig gevormd magnetisch veld dat wordt gegenereerd door externe elektromagnetische spoelen. Wanneer het plasma enkele miljoenen graden bereikt - zo heet als het binnenste van de zon - beginnen atoomkernen samen te smelten, het vrijgeven van enorme hoeveelheden energie.

Alvorens een enkele bout te draaien om een ​​van deze zeldzame en dure apparaten te bouwen, ingenieurs maken veeleisende plannen met behulp van een reeks algoritmen. Echter, een grote verscheidenheid aan spoelvormen kan allemaal hetzelfde magnetische veld genereren, het toevoegen van niveaus van complexiteit aan het ontwerpproces. Tot nu, weinig onderzoekers hebben onderzocht hoe ze de beste kunnen kiezen uit alle mogelijke spoelvormen voor een specifieke stellarator.

Natuurkundige Matt Landreman van de Universiteit van Maryland heeft een belangrijke herziening doorgevoerd van een van de meest gebruikte softwaretools voor het ontwerpen van stellarators. De nieuwe methode is beter in het balanceren van afwegingen tussen de ideale magnetische veldvorm en potentiële spoelvormen, wat resulteert in ontwerpen met meer ruimte tussen de spoelen. Deze extra ruimte zorgt voor een betere toegang voor reparaties en meer plaatsen om sensoren te installeren. De nieuwe methode van Landreman wordt beschreven in een artikel dat op 13 februari is gepubliceerd. 2017 in het journaal Kernfusie .

"In plaats van alleen de vorm van het magnetische veld te optimaliseren, deze nieuwe methode houdt tegelijkertijd rekening met de complexiteit van de spoelvormen. Dus er is een beetje een afweging, " zei Landreman, een assistent-onderzoeker aan het UMD Institute for Research in Electronics and Applied Physics (IREAP) en enige auteur van het onderzoekspaper. "Het is een beetje zoals het kopen van een auto. Misschien wilt u de goedkoopste auto, maar je wilt ook de veiligste auto. Beide kenmerken kunnen op gespannen voet met elkaar staan, dus je moet een manier vinden om elkaar in het midden te ontmoeten."

Onderzoekers gebruikten de vorige methode, genaamd de Neumann Solver for Fields Produced by External Coils (NESCOIL) en voor het eerst beschreven in 1987, om veel van de stellarators te ontwerpen die vandaag in bedrijf zijn, inclusief de Wendelstein 7-X (W7-X). De grootste stellarator die er bestaat, W7-X is in 2015 in gebruik genomen bij het Max Planck Institute of Plasma Physics in Duitsland.

"De meeste ontwerpen, inclusief W7-X, begonnen met een specifiek gevormd magnetisch veld om het plasma goed op te sluiten. Vervolgens vormden de ontwerpers de spoelen om dit magnetische veld te creëren, "Landreman legde uit. "Maar deze methode vereiste meestal veel vallen en opstaan ​​met de spoelontwerptools om te voorkomen dat de spoelen te dicht bij elkaar kwamen, waardoor ze onhaalbaar zijn om te bouwen, of te weinig ruimte overlaten om toegang te krijgen tot de plasmakamer voor onderhoud."

De nieuwe methode van Landreman, die hij Regularized NESCOIL noemt - of kortweg REGCOIL - omzeilt dit door het probleem van de spoelafstand van het ontwerp van de stellarator samen met de vorming van het magnetische veld zelf aan te pakken. Het resultaat, Landreman zei, is een snelle, robuuster proces dat bij de eerste poging betere spoelvormen oplevert.

Modelleringstests uitgevoerd door Landreman suggereren dat de ontwerpen geproduceerd door REGCOIL heet plasma in een gewenste vorm opsluiten, terwijl de minimale afstanden tussen de spoelen aanzienlijk worden vergroot.

"In wiskunde, we zouden het ontwerp van een stellaratorspoel een 'slecht gesteld probleem' noemen, ' wat betekent dat er veel mogelijke oplossingen zijn. Het vinden van de beste oplossing is sterk afhankelijk van het op de juiste manier stellen van het probleem, "Zei Landreman. "REGCOIL doet precies dat door spoelvormen zo te vereenvoudigen dat het probleem zeer efficiënt kan worden opgelost."

De ontwikkeling van kernfusie als levensvatbare energiebron ligt nog ver in de toekomst. Maar innovaties zoals de nieuwe methode van Landreman zullen helpen om de kosten en tijdinvesteringen die nodig zijn om nieuwe stellarators voor onderzoek te bouwen en – uiteindelijk – praktische, energieopwekkende toepassingen.

"Dit veld bevindt zich nog in de fase van fundamenteel onderzoek, en elk nieuw ontwerp is totaal uniek, " zei Landreman. "Met deze onverenigbare functies om in evenwicht te blijven, er zullen altijd verschillende punten zijn waarop u kunt besluiten een compromis te sluiten. Met de REGCOIL-methode kunnen ingenieurs veel verschillende punten in dit spectrum onderzoeken en modelleren."

Het onderzoeksrapport, "Een verbeterde stroompotentiaalmethode voor snelle berekening van stellaratorspoelvormen, "Mat Landreman, werd gepubliceerd op 13 februari 2017 in het journaal Kernfusie .