Wetenschappers die fusie-energie op aarde willen vangen en beheersen, het proces dat de zon en de sterren aandrijft, geconfronteerd met het risico van verstoringen - plotselinge gebeurtenissen die fusiereacties kunnen stoppen en schade kunnen toebrengen aan faciliteiten, tokamaks genaamd, die ze huisvesten. Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), en de Universiteit van Washington hebben een nieuw prototype ontwikkeld om verstoringen snel te beheersen voordat ze volledig effect kunnen hebben.

Het apparaat, een "elektromagnetische deeltjesinjector" (EPI) genoemd, is een type railgun dat een projectiel met hoge snelheid vanaf een paar geëlektrificeerde rails afvuurt in een plasma dat op het punt staat te worden verstoord. het projectiel, een "sabot" genoemd, " geeft een lading materiaal vrij in het centrum van het plasma dat uitstraalt, of verspreidt zich, de energie opgeslagen in het plasma, het verminderen van de impact op het interieur van de tokamak.

Diep doordringende ladingen

Dit proces kan sneller blijken te zijn en kan ertoe leiden dat ladingen dieper in het plasma doordringen dan de meest ontwikkelde technieken van vandaag. De huidige systemen geven gas onder druk of door gas aangedreven verbrijzelde pellets af met behulp van een gasklep in het plasma, maar met snelheid beperkt door de massa van de gasdeeltjes. "Het belangrijkste voordeel van het EPI-concept ten opzichte van gasaangedreven systemen is het potentieel om te voldoen aan korte waarschuwingstijdschalen, " zei Roger Raman, een natuurkundige van de Universiteit van Washington met een langdurige opdracht aan PPPL en hoofdauteur van a Kernfusie document dat het nieuwe systeem beschrijft.

Het risico op verstoringen is vooral groot voor ITER, de grote internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen. ITER is compact, krachtige ontladingen van plasma, de toestand van materie die fusiereacties voedt, zal het voor de huidige gasaangedreven mitigatiemethoden moeilijk maken om diep genoeg in het hoogenergetische ITER-plasma door te dringen om een ​​goed effect te hebben.

op ITER, mitigatie is gewenst in minder dan 20 milliseconden, of duizenden van een seconde, van de waarschuwing voor een storing, met 10 milliseconden als ideaal. Tests van het EPI-prototype laten zien dat het in minder dan 10 milliseconden een lading van deeltjes met de juiste grootte kan leveren, vergeleken met 30 milliseconden voor gasaangedreven systemen.

Het prototype, gebouwd aan de Universiteit van Washington, grijpt terug naar een brandstofsysteem voor fusiereactoren waar Raman jaren geleden aan werkte. Dat systeem injecteerde plasmoïden, voetbalvormige plasma's met hun eigen magnetische velden, die met hoge snelheid in een fusieplasma werden geïnjecteerd. Raman heeft enkele kenmerken van het systeem aangepast zodat er veel meer massa kan worden geïnjecteerd in een eenvoudigere configuratie, zoals vereist zou zijn voor een lange stand-bymodus, de EPI te ontwikkelen.

Elektrisch geleidende rails

Het prototype herbergt de sabot tussen twee elektrisch geleidende rails die zo'n 2 tot 3 centimeter van elkaar verwijderd zijn en verbonden zijn met een condensatorbank die een elektrische lading vasthoudt. Het ontladen van de bank produceert elektromagnetische krachten die de sabot versnellen, waardoor de payload in slechts 2 milliseconden kan worden vrijgegeven. Het materiaal, bestaande uit lichtmetalen korrels of korrels, zou de energie van een verstoring van het centrum van het plasma naar de rand uitstralen, de energie verspreiden en de impact ervan op de tokamak-muren verzwakken.

Verdere ontwikkeling van het EPI-systeem is voorgesteld om te worden uitgevoerd bij PPPL. Plannen vragen om de bouw van prototypes van de tweede en derde generatie met steeds sterkere magnetische velden over een periode van drie jaar, gevolgd door inzet op een tokamak in het vierde jaar. Resultaten tot nu toe, zoals gerapporteerd in Kernfusie , een zekere mate van vertrouwen bieden dat er een effectief EPI-systeem kan worden ontwikkeld om krachtige verstoringen op ITER te beperken.