Als een pottenbakker die klei vormt terwijl het op een wiel draait, natuurkundigen gebruiken magnetische velden en krachtige deeltjesbundels om het plasma te controleren en te vormen terwijl het door een fusie-apparaat draait en draait. Nu heeft een natuurkundige een nieuw systeem gemaakt waarmee wetenschappers de energie en rotatie van plasma in realtime kunnen regelen in een donutvormige machine die bekend staat als een tokamak.

"Bij het ontwerpen van fusiemachines, het wordt steeds belangrijker om controlesystemen en modelleringstechnieken te gebruiken uit de wereld van de luchtvaarttechniek, " zei Imène Goumiri, de wetenschapper die het werk leidde. "Nieuw is dat deze tools nu zijn toegepast op plasmafysica-problemen, dat maakt dit onderzoek uniek." Goumiri was een doctoraalstudent aan de Princeton University die onderzoek deed aan het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en is nu fysicus aan de University of Wisconsin-Madison.

Goumiri's systeem, bekend als een feedbackcontroller, omvat sensoren binnen de tokamak die zijn gekoppeld aan een computeralgoritme dat de gegevens interpreteert die de sensoren verzamelen. Het algoritme activeert zes stralen neutrale deeltjes die het plasma in de tokamak verhitten en ronddraaien en zes rechthoekige magnetische spoelen aan de buitenkant van de machine aansturen. "Dit is de eerste keer dat deze twee actuatoren samen worden gebruikt om het plasmarotatieprofiel te regelen, " zei Steven Sabbagh, een senior onderzoeker en adjunct-professor toegepaste natuurkunde aan de Columbia University die al 27 jaar samenwerkt met PPPL en een van de co-auteurs van het artikel was.

Door de rotatie te regelen, natuurkundigen kunnen voorkomen dat instabiliteiten het magnetische veld verslechteren en het plasma laten dissiperen, het afsluiten van de fusiereacties.

Onderzoekers ontwierpen het algoritme voor de National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), die een verbeterd neutraal bundelsysteem heeft dat de plasmarotatie beïnvloedt door te botsen met de geladen deeltjes van het plasma en momentum over te dragen. Het systeem heeft twee zenders met elk drie neutrale bundelbronnen. Eén emitter richt zich op de kern van het plasma, terwijl de andere op de rand is gericht om een ​​hefboomwerking uit te oefenen op het plasma als geheel. Een flexibel magneetsysteem stelt natuurkundigen in staat om de verdeling van de plasmarotatie verder te regelen. In het algemeen, het algoritme gebruikt de magnetische spoelen en de neutrale straalzenders in verschillende combinaties om te veranderen hoe verschillende regio's van het plasma roteren.

Het algoritme balanceert ook de effecten van de magneten en de neutrale stralen om ervoor te zorgen dat het totale plasma niet ruw van de ene snelheid naar de andere slingert. Het doel is om een ​​bepaalde hoeveelheid plasmawarmte te bereiken, of opgeslagen energie, samen met de gewenste plasmarotatie - een innovatie die een eerdere versie van het algoritme ontbrak.

Goumiri en het team testten het nieuwe controller-algoritme op een gesimuleerde tokamak gemaakt door de computercode TRANSP, een door PPPL ontworpen programma dat wordt gebruikt in onderzoek naar magnetische fusie over de hele wereld. De test toonde aan dat het algoritme zowel het rotatieprofiel van het plasma als de opgeslagen energie met succes kon wijzigen op een manier die de stabiliteit van het plasma zou vergroten.

In de toekomst, Goumiri hoopt haar controller-algoritme te testen op NSTX-U. Eenmaal in bedrijf, de lessen die fysici leren van het gebruik van het algoritme kunnen het ontwerp van toekomstige fusiereactoren beïnvloeden. Dergelijke reactoren zullen meer dan één algoritme hebben om plasmarotatie te regelen, elektrische stroom, en de vorm van het plasma. Toekomstig onderzoek zal zich moeten concentreren op de manier waarop alle controllers samenwerken en op het ontwerpen van een wereldwijd systeem waarmee de controllers harmonieus kunnen werken.

Dit onderzoek is in februari 2017 gepubliceerd in de online versie van Fysica van plasma's en werd gefinancierd door het DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).