Een belangrijk probleem voor fusiereactoren van de volgende generatie is de mogelijke impact van veel onstabiele Alfvén-eigenmodes, golfachtige verstoringen veroorzaakt door de fusiereacties die door het plasma rimpelen in donutvormige fusiefaciliteiten die 'tokamaks' worden genoemd. Deuterium- en tritiumbrandstof reageren bij verhitting tot temperaturen rond de 100 miljoen graden Celsius, het produceren van hoogenergetische heliumionen, alfadeeltjes genaamd, die het plasma verwarmen en de fusiereacties ondersteunen.

Deze alfadeeltjes zijn zelfs heter dan de brandstof en hebben zoveel energie dat ze Alfvén-eigenmodes kunnen aandrijven die de deeltjes uit de reactiekamer laten ontsnappen voordat ze het plasma kunnen verwarmen. Het begrijpen van deze golven en hoe ze alfadeeltjes helpen ontsnappen, is een belangrijk onderzoeksonderwerp in de fusiewetenschap.

Als slechts één of twee van deze golven in de reactiekamer worden geëxciteerd, het effect op de alfadeeltjes en hun vermogen om de brandstof te verwarmen is beperkt. Echter, theoretici hebben al enige tijd voorspeld dat als veel van deze golven worden geëxciteerd, ze kunnen samen veel alfadeeltjes weggooien, de wanden van de reactorkamer en de efficiënte verwarming van de brandstof in gevaar brengen.

Recente experimenten uitgevoerd op de DIII-D National Fusion Facility, die General Atomics opereert voor het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE) in San Diego, hebben bewijs gevonden dat deze theoretische voorspellingen bevestigt. Verliezen tot 40 procent van hoogenergetische deeltjes worden waargenomen in experimenten wanneer veel Alfvén-golven worden geëxciteerd door deuteriumbundelionen die worden gebruikt om alfadeeltjes en hogere energiebundelionen te simuleren in een fusiereactor zoals ITER, die nu in aanbouw is in het zuiden van Frankrijk.

Naar aanleiding van dit onderzoek, natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het DOE produceerden een kwantitatief nauwkeurig model van de impact van deze Alfvén-golven op hoogenergetische deuteriumbundels in de DIII-D-tokamak. Ze gebruikten simulatiecodes genaamd NOVA en ORBIT om te voorspellen welke Alfvén-golven zouden worden geëxciteerd en hun effect op de opsluiting van de hoogenergetische deeltjes.

De onderzoekers bevestigden de NOVA-modelleringsvoorspelling dat meer dan 10 onstabiele Alfvén-golven kunnen worden opgewekt door de deuteriumstralen in het DIII-D-experiment. Verder, in kwantitatieve overeenstemming met de experimentele resultaten, de modellering voorspelde dat tot 40 procent van de energetische deeltjes verloren zou gaan. De modellering demonstreerde voor de eerste keer, in dit type hoogwaardig plasma, dat kwantitatief nauwkeurige voorspellingen kunnen worden gedaan voor het effect van meerdere Alfvén-golven op de opsluiting van energetische deeltjes in de DIII-D-tokamak.

"Ons team heeft bevestigd dat we kwantitatief de omstandigheden kunnen voorspellen waarin de fusie-alfadeeltjes uit het plasma verloren kunnen gaan op basis van de resultaten die zijn verkregen uit de modellering van de DIII-D-experimenten", aldus Gerrit Kramer, een PPPL-onderzoeksfysicus en hoofdauteur van een paper dat de modelleringsresultaten beschrijft in het meinummer van het tijdschrift Kernfusie .

De gezamenlijke bevindingen markeerden een potentieel grote vooruitgang in het begrip van het proces. "Deze resultaten laten zien dat we nu een goed begrip hebben van de individuele golven die worden opgewekt door de energetische deeltjes en hoe deze golven samenwerken om energetische deeltjes uit het plasma te verdrijven, " zei natuurkundige Raffi Nazikian, hoofd van de afdeling ITER en Tokamaks bij PPPL en leider van de samenwerking van het laboratorium met DIII-D.

Het NOVA+ORBIT-model gaf verder aan dat bepaalde plasmacondities het aantal Alfvén-golven drastisch kunnen verminderen en dus de verliezen aan energetische deeltjes kunnen verminderen. Dergelijke golven en de verliezen die ze veroorzaken, kunnen worden geminimaliseerd als het elektrische stroomprofiel in het midden van het plasma zou kunnen worden verbreed, volgens de analyse in het wetenschappelijke artikel.

Experimenten om deze ideeën te testen voor het verminderen van energetische deeltjesverliezen zullen worden uitgevoerd in een volgende onderzoekscampagne over DIII-D. "Nieuwe upgrades van de DIII-D-faciliteit zullen de verkenning van verbeterde plasmacondities mogelijk maken, Nazikian zei. "Er worden nieuwe experimenten voorgesteld om toegang te krijgen tot de door de theorie voorspelde omstandigheden om energetische deeltjesverliezen te verminderen, met belangrijke implicaties voor het optimale ontwerp van toekomstige reactoren."