Een grote uitdaging voor de ontwikkeling van fusie-energie is het in een stabiele toestand houden van het ultrahete plasma dat fusiereacties voedt, of duurzaam, vorm met behulp van supergeleidende magnetische spoelen om de enorme stroombehoefte van koperen spoelen te vermijden. Hoewel supergeleiders een fusiereactor voor onbepaalde tijd kunnen laten werken, het regelen van het plasma met supergeleiders vormt een uitdaging omdat technische beperkingen beperken hoe snel dergelijke magnetische spoelen kunnen worden aangepast in vergelijking met koperen spoelen die niet dezelfde beperkingen hebben.

De tragere responstijd van deze supergeleidende spoelen veroorzaakt het probleem. Het langzamere tempo maakt het moeilijk om een ​​stabiele ontlading te bewerkstelligen met het grote plasmavolume of de grotere verticale hoogte die nodig is voor het produceren van fusiekracht. Verkenning van dit probleem in een huidig ​​supergeleidend apparaat is bijzonder nuttig voor ITER, het internationale fusie-experiment in aanbouw in Frankrijk, die in 2025 operationeel zal zijn.

Toonaangevend in de uitdaging

Aan de voorkant van deze controle-uitdaging is het Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) -apparaat, een van de grootste supergeleidende tokamaks ter wereld. De supergeleiders zijn gemaakt van niobium en tin, dezelfde geleider die is gepland voor gebruik in ITER.

Een team van Amerikaanse en Koreaanse onderzoekers, onder leiding van natuurkundige Dennis Mueller van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), heeft nu de stabiliteit van het langwerpige plasma in KSTAR sterk verbeterd, een voorbeeld stellen voor het aanpakken van soortgelijke problemen in andere supergeleidende apparaten zoals ITER. De succesvolle controlemethode, deze zomer aangetoond door Mueller en natuurkundigen van het National Fusion Research Institute (NFRI) in Zuid-Korea en General Atomics in San Diego, caps jarenlange inspanningen om de verticale instabiliteit te beheersen, waardoor het plasma op en neer kon stuiteren in het 11-voet hoge vacuümvat.

"Toen het plasma groter werd, bewoog het weg van een stabiele werking, " Mueller vertelde de 59e jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society Division of Plasma Physics in oktober. "De nieuwe correctiemethode voorkomt dat het plasma op en neer stuitert door het verticale centrum van het plasma te stabiliseren. Beheersing van de verticale instabiliteit heeft grotere plasma's in KSTAR mogelijk gemaakt dan de oorspronkelijke ontwerpspecificaties."

Gemodificeerde elektronica

De sleutel tot de oplossing was aangepaste elektronica voor sensoren die het magnetische veld van het plasma en de beweging en positie van het plasma detecteren. De aangepaste sensoren sturen snel een stuursignaal dat feedback kan geven over de verticale positie. De feedback maakt gebruik van een verticale stuurspoel (IVC) in het vat om de veranderingen in de verticale positie terug te dringen en beëindiging van het plasma te voorkomen. "Het gebruik van de verbeterde sensorsignalen is van cruciaal belang om het besturingssysteem goed te laten werken, ' zei Muller.

De nieuwe magnetische sensoren hebben een teaminspanning gekost om te ontwikkelen en te optimaliseren. De elektronica werd geleverd door KSTAR-onderzoekers Jun Gyo Bak en Heungsu Kim. De koplopers waren Mueller en Sang-hee Hahn van KSTAR.

Naast de sensorverbeteringen, Nicholas Eidietis van General Atomics ontwikkelde een besturingssysteem dat onderscheid maakt tussen snelle en langzame veranderingen in de sensorsignalen en verschillende spoelen aanstuurt om te reageren op de plasmabeweging op verschillende tijdschalen. Het eindresultaat van dit internationale teamwerk is een controlesysteem dat effectief reageert op bewegingen van het plasma, waardoor bediening mogelijk is met grotere plasma's die de ontwerpvereisten van KSTAR overtreffen. Het DOE Office of Science (FES) ondersteunde dit gezamenlijke werk.