Wetenschappers die de fusiereactie die de zon en de sterren aandrijft naar de aarde willen brengen, moeten het superhete plasma vrijhouden van verstoringen. Nu hebben onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een proces ontdekt dat kan helpen de verstoringen te beheersen die als het gevaarlijkst worden beschouwd.

fusie repliceren, die grenzeloze energie vrijgeeft door atoomkernen samen te smelten in de staat van materie die bekend staat als plasma, zou schone en vrijwel onbeperkte stroom kunnen produceren voor het opwekken van elektriciteit voor steden en industrieën overal. Het opvangen en beheersen van fusie-energie is daarom een ​​belangrijke wetenschappelijke en technische uitdaging voor onderzoekers over de hele wereld.

Magnetische eilanden maken

De PPPL-bevinding, gemeld in Fysieke beoordelingsbrieven , richt zich op zogenaamde scheurmodi - instabiliteiten in het plasma die magnetische eilanden creëren, een belangrijke bron van plasmaverstoringen. deze eilanden, belachtige structuren die zich in het plasma vormen, kan groeien en ontwrichtende gebeurtenissen veroorzaken die fusiereacties stoppen en donutvormige faciliteiten genaamd "tokamaks" beschadigen die de reacties huisvesten.

Onderzoekers ontdekten in de jaren tachtig dat het gebruik van radiofrequente (RF) golven om de stroom in het plasma aan te drijven de scheurmodi kon stabiliseren en het risico op verstoringen kon verminderen. Echter, de onderzoekers merkten niet op dat kleine veranderingen - of verstoringen - in de temperatuur van het plasma het stabilisatieproces zouden kunnen verbeteren, zodra een belangrijke drempel in vermogen wordt overschreden. Het fysieke mechanisme dat PPPL heeft geïdentificeerd werkt als volgt:

• De temperatuurverstoringen beïnvloeden de sterkte van de huidige aandrijving en de hoeveelheid RF-vermogen die op de eilanden wordt afgezet.
• De verstoringen en hun impact op de afzetting van powerfeedback tegen elkaar op een complexe of niet-lineaire manier.
• Wanneer de feedback wordt gecombineerd met de gevoeligheid van de huidige aandrijving voor temperatuurstoringen, de efficiëntie van het stabilisatieproces neemt toe.
• Verder, de verbeterde stabilisatie wordt minder snel beïnvloed door verkeerd uitgelijnde stroomaandrijvingen die het midden van het eiland niet raken.

De algehele impact van dit proces creëert wat technisch "RF-stroomcondensatie, " of concentratie van RF-vermogen in het eiland waardoor het niet groeit. "De stroomdepositie is enorm toegenomen, " zei Allan Reiman, een theoretisch fysicus bij PPPL en hoofdauteur van het artikel. "Als de stroomdepositie op het eiland een drempelwaarde overschrijdt, er is een sprong in de temperatuur die het stabiliserende effect enorm versterkt. Hierdoor kunnen grotere eilanden worden gestabiliseerd dan eerder voor mogelijk werd gehouden."

Gunstig voor ITER

Dit proces kan bijzonder gunstig zijn voor ITER, de internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen. "Er is bezorgdheid dat eilanden groot worden en verstoringen in ITER veroorzaken, ' zei Reiman. 'Samen genomen, deze nieuwe effecten moeten het gemakkelijker maken om ITER-plasma's te stabiliseren."

Reiman werkte samen met professor Nat Fisch, associate director academische zaken bij PPPL en co-auteur van het rapport. Fisch had in een historisch artikel uit de jaren 70 aangetoond dat RF-golven kunnen worden gebruikt om stromen aan te sturen om tokamak-plasma's op te sluiten via een proces dat nu 'RF-stroomaandrijving' wordt genoemd.

Fisch wijst erop dat "het baanbrekende artikel van Reiman in 1983 was dat voorspelde dat deze RF-stromen ook de scheurmodi zouden kunnen stabiliseren. het plasma, ' zei Vis.

"Vandaar, " hij zei, "Reiman's artikel uit 1983 lanceerde in wezen experimentele campagnes op tokamaks over de hele wereld om de scheurmodi te stabiliseren." Bovendien, hij voegde toe, "Aanzienlijk, naast het voorspellen van de stabilisatie van scheurmodi door RF, het artikel uit 1983 wees ook op het belang van de temperatuurverstoring in magnetische eilanden."

Ondergewaardeerde functie

Het nieuwe artikel werpt een frisse blik op de impact van deze temperatuurverstoringen op de eilanden, een functie die ondergewaardeerd is sinds de krant uit 1983 erop wees. "We zijn in feite 35 jaar teruggegaan om die gedachte een beetje verder te brengen door de fascinerende fysica en grotere implicaties van positieve feedback te onderzoeken, "Zei Fisch. "Het bleek dat deze implicaties nu heel belangrijk kunnen zijn voor het tokamak-programma van vandaag."

De theoretici begonnen hun recente werk met een eenvoudig model en gingen door naar meer complexe om de belangrijkste problemen aan te pakken. Ze zijn nu van plan om een ​​gedetailleerder beeld te produceren met nog geavanceerdere modellen. Ze werken ook aan het voorstellen van experimentele campagnes die deze nieuwe effecten blootleggen. Ondersteuning voor dit onderzoek komt van het DOE Office of Science.