In de zoektocht naar fusie-energie, wetenschappers hebben tientallen jaren geëxperimenteerd met manieren om plasmabrandstof heet en dicht genoeg te maken om aanzienlijke fusiekracht te genereren. Bij het MIT, onderzoekers hebben hun aandacht gericht op het gebruik van radiofrequentie (RF) verwarming in magnetische opsluiting fusie-experimenten zoals de Alcator C-Mod tokamak, die zijn laatste run in september 2016 voltooide.

Nutsvoorzieningen, met behulp van gegevens van C-Mod-experimenten, fusieonderzoekers van het Plasma Science and Fusion Center (PSFC) van MIT, samen met collega's in België en het VK, hebben een nieuwe methode ontwikkeld om fusieplasma's in tokamaks te verwarmen. De nieuwe methode heeft geresulteerd in het verhogen van sporenhoeveelheden ionen tot megaelektronvolt (MeV) energieën - een orde van grootte groter dan eerder werd bereikt.

"Deze hogere energiebereiken liggen in hetzelfde bereik als geactiveerde fusieproducten, "PSFC-onderzoeker John C. Wright legt uit. "Het is gunstig om zulke energetische ionen te kunnen creëren in een niet-geactiveerd apparaat - dat niet een enorme hoeveelheid fusie doet, omdat we kunnen bestuderen hoe ionen met energie vergelijkbaar met fusiereactieproducten zich gedragen, hoe goed ze zouden worden opgesloten."

De nieuwe aanpak, onlangs gedetailleerd in het tijdschrift Natuurfysica , gebruikt een brandstof die bestaat uit drie ionensoorten:waterstof, deuterium, en sporenhoeveelheden (minder dan 1 procent) van helium-3. Typisch, plasma dat wordt gebruikt voor fusieonderzoek in het laboratorium zou bestaan ​​uit twee ionensoorten, deuterium en waterstof of deuterium en He-3, waarbij deuterium het mengsel tot 95 procent domineert. Onderzoekers richten hun energie op de minderheidssoorten, die opwarmt tot veel hogere energieën vanwege zijn kleinere fractie van de totale dichtheid. In het nieuwe driesoortenschema alle RF-energie wordt geabsorbeerd door slechts een kleine hoeveelheid He-3 en de ionenenergie wordt zelfs nog meer versterkt - tot het bereik van geactiveerde fusieproducten.

Wright werd geïnspireerd om dit onderzoek voort te zetten na het bijwonen van een lezing in 2015 over dit scenario door Yevgen Kazakov, een onderzoeker aan het Laboratorium voor Plasmafysica in Brussel, België, en de hoofdauteur van het artikel Nature Physics. Wright stelde voor dat MIT deze ideeën test met Alcator C-Mod, met Kazakov en zijn collega Jef Ongena samenwerkend vanuit Brussel.

Bij het MIT, PSFC-onderzoeker Stephen Wukitch hielp bij het ontwikkelen van het scenario en het uitvoeren van het experiment, terwijl professor Miklos Porkolab zijn expertise op het gebied van RF-verwarming inbracht. Onderzoekswetenschapper Yijun Lin was in staat om de complexe golfstructuur in het plasma te meten met de unieke fasecontrastbeeldvorming (PCI)-diagnose van de PSFC, die in de afgelopen twee decennia is ontwikkeld door Porkolab en zijn afgestudeerde studenten. Onderzoekswetenschapper Ted Golfinopoulos ondersteunde het experiment door het effect van ionen uit het MeV-bereik op metingen van plasmafluctuaties te volgen.

De succesvolle resultaten op C-Mod leverden een principieel bewijs, genoeg om wetenschappers van de Joint European Torus (JET) in het VK te krijgen, Europa's grootste fusieapparaat, geïnteresseerd in het reproduceren van de resultaten. Zoals JET, C-Mod werkte met magnetische veldsterkte en plasmadruk vergelijkbaar met wat nodig zou zijn in een toekomstig apparaat dat geschikt is voor fusie. De twee tokamaks hadden ook complementaire diagnostische mogelijkheden, waardoor het voor C-Mod mogelijk is om de golven te meten die betrokken zijn bij de complexe golf-deeltjesinteractie, terwijl JET de MeV-bereikdeeltjes direct kon meten.

John Wright prijst de samenwerking.

"De JET-mensen hadden echt goede energetische deeltjesdiagnostiek, zodat ze deze ionen met hoge energie direct konden meten en verifiëren dat ze er inderdaad waren, "zegt hij. "Het feit dat we een basistheorie hadden gerealiseerd op twee verschillende apparaten op twee continenten, kwam samen om een ​​sterk papier te produceren."

Porkolab suggereert dat de nieuwe aanpak nuttig zou kunnen zijn voor de samenwerking van MIT met de Wendelstein 7-X stellarator aan het Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald, Duitsland, waar onderzoek gaande is naar een van de fundamentele natuurkundige vragen:hoe goed fusierelevante energetische ionen zijn opgesloten. Het Nature Physics-artikel merkt ook op dat de experimenten inzicht kunnen geven in de overvloedige flux van He-3-ionen die worden waargenomen bij zonnevlammen.