Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, produceert enorme hoeveelheden energie. Wetenschappers hier op aarde proberen dit proces te repliceren, die lichte elementen samenvoegt in de vorm van warme, geladen plasma bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, om een ​​vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening te creëren om elektriciteit op te wekken in wat een 'ster in een pot' kan worden genoemd.

Een lange tijd puzzel in de poging om de kracht van fusie op aarde te vangen, is hoe een veel voorkomende instabiliteit die optreedt in het plasma, edge localized modes (ELM's) genoemd, kan worden verminderd of geëlimineerd. Net zoals de zon enorme uitbarstingen van energie afgeeft in de vorm van zonnevlammen, zodat flare-achtige uitbarstingen van ELM's tegen de muren van donutvormige tokamaks kunnen slaan die fusiereacties huisvesten, mogelijk de wanden van de reactor beschadigen.

Rimpelingen regelen nieuwe bursts

Om deze uitbarstingen te beheersen, wetenschappers verstoren het plasma met kleine magnetische rimpelingen, resonante magnetische verstoringen (RMP's) genaamd, die de gladde, donutvorm van het plasma - het vrijgeven van overdruk die het optreden van ELM's vermindert of voorkomt. Het moeilijkste is om precies de juiste hoeveelheid van deze 3D-vervorming te produceren om de ELM's te elimineren zonder andere instabiliteiten te veroorzaken en te veel energie vrij te geven die, in het slechtste geval, kan leiden tot een grote verstoring die het plasma beëindigt.

Wat de taak buitengewoon moeilijk maakt, is het feit dat een vrijwel onbeperkt aantal magnetische vervormingen op het plasma kan worden toegepast, waardoor het vinden van precies de juiste soort vervorming een buitengewone uitdaging is. Maar niet langer.

Natuurkundige Jong-Kyu Park van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), werken met een team van medewerkers uit de Verenigde Staten en het National Fusion Research Institute (NFRI) in Korea, hebben met succes de hele reeks gunstige 3D-vervormingen voor het beheersen van ELM's voorspeld zonder meer problemen te veroorzaken. Onderzoekers valideerden deze voorspellingen op de Koreaanse Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) faciliteit, een van 's werelds meest geavanceerde supergeleidende tokamaks, gevestigd in Daejeon, Zuid-Korea.

KSTAR ideaal voor tests

KSTAR was ideaal voor het testen van de voorspellingen vanwege de geavanceerde magneetbedieningen voor het genereren van nauwkeurige vervormingen in de bijna perfecte, donutvormige symmetrie van het plasma. Identificatie van de meest gunstige verstoringen, die minder dan één procent uitmaken van alle mogelijke vervormingen die binnen KSTAR kunnen worden veroorzaakt, zou vrijwel onmogelijk zijn geweest zonder het door het onderzoeksteam ontwikkelde voorspellende model.

Het resultaat was een prestatie die een precedent schept. "We tonen voor het eerst het volledige 3D-veldwerkvenster in een tokamak om ELM's te onderdrukken zonder kerninstabiliteiten te veroorzaken of de opsluiting buitensporig te vernederen, " zei Park, wiens paper - geschreven met 14 coauteurs uit de Verenigde Staten en Zuid-Korea - is gepubliceerd in Natuurfysica . "Lange tijd dachten we dat het rekenkundig te moeilijk zou zijn om alle gunstige symmetrie-brekende velden te identificeren, maar ons werk demonstreert nu een eenvoudige procedure om de verzameling van al dergelijke configuraties te identificeren."

Onderzoekers verminderden de complexiteit van de berekeningen toen ze zich realiseerden dat het aantal manieren waarop het plasma kan vervormen in feite veel kleiner is dan het bereik van mogelijke 3D-velden die op het plasma kunnen worden toegepast. Door achteruit te werken, van vervormingen tot 3D-velden, de auteurs berekenden de meest effectieve velden voor het elimineren van ELM's. De KSTAR-experimenten bevestigden de voorspellingen met opmerkelijke nauwkeurigheid.

Bevindingen geven nieuw vertrouwen

De bevindingen over KSTAR geven nieuw vertrouwen in het vermogen om optimale 3D-velden voor ITER te voorspellen, de internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk, die van plan is speciale magneten te gebruiken om 3D-vervormingen te produceren om ELM's te besturen. Een dergelijke controle zal van vitaal belang zijn voor ITER, wiens doel het is om 10 keer meer energie te produceren dan nodig is om het plasma te verwarmen. Zei de auteurs van het artikel, "de methode en het principe die in deze studie zijn aangenomen, kunnen de efficiëntie en betrouwbaarheid van het gecompliceerde 3D-optimalisatieproces in tokamaks aanzienlijk verbeteren."