Om de fusiereacties die de zon en de sterren aandrijven op aarde vast te leggen en te beheersen, onderzoekers moeten eerst gas op kamertemperatuur omzetten in hete, geladen plasma dat de reacties voedt. Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben een analyse uitgevoerd die de effectiviteit van een roman bevestigt, niet-standaard manier voor het opstarten van plasma in toekomstige compacte fusie-installaties.

De innovatieve techniek, bekend als "voorbijgaande coaxiale spiraalvormige injectie (CHI), " elimineert de centrale magneet, of solenoïde, die het plasma in tokamaks lanceert, de meest gebruikte fusie-installaties. Een dergelijke eliminatie zou constante, of stabiele toestand, fusiereacties en ook waardevolle ruimte vrijmaken in het centrum van compacte bolvormige tokamaks, waarvan de vorm van een klokhuis minder ruimte binnenin heeft dan conventionele donutvormige tokamaks die vaker voorkomen.

Voordelen bieden:

De vrijgekomen ruimte zou voordelen kunnen bieden:het zou kunnen worden gebruikt om het magnetische veld dat het plasma opsluit te versterken en daardoor de prestaties te verbeteren. Het elimineren van de solenoïde zou ook het ontwerp van compacte tokamaks kunnen vereenvoudigen.

Fusiereacties smelten lichte elementen samen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die van nature overal in het universum voorkomt - en daardoor energie genereert. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken.

Solenoïden lopen door het midden van een tokamak en induceren stroom in het ongeladen gas dat onderzoekers in de faciliteit injecteren. De stroom stript elektronen van de atomen in het gas, veranderen in een geladen plasma - een proces dat "ionisatie, " of plasma-afbraak. De stroom creëert ook een magnetisch veld dat wordt gecombineerd met het veld dat wordt geproduceerd door magneten die de tokamak omringen om het plasma op te kroppen en te regelen, waardoor verwarming verwarming fusiereacties produceren.

Het elimineren van de solenoïde

Daarentegen, het tijdelijke CHI-proces dat wordt gerapporteerd in Physics of Plasmas produceert de cruciale elektrische stroom met elektroden die nabij de onderkant of bovenkant van de tokamak zijn geplaatst, het elimineren van de ruimtevretende solenoïde. "Waar we ons vooral op concentreerden, was de beginfase van het vormen van het plasma, " zei natuurkundige Kenneth Hammond van het Max Planck Institute of Plasma Physics, de hoofdauteur van het artikel die onderzoek deed naar CHI als student aan de Columbia University aan PPPL en deze zomer bij het laboratorium komt. "Dit hielp om een ​​vollediger beeld te krijgen van hoe CHI-ontladingen werken."

Voorbijgaande CHI - zo genoemd omdat de elektroden die de plasma-startstroom produceren kort in plaats van continu lopen - werd voor het eerst ontwikkeld in experimenten met de kleine Helicity Injection Torus (HIT-II) aan de Universiteit van Washington en het grotere National Spherical Torus Experiment (NSTX) bij PPPL voorafgaand aan de upgrade; het proces was ook gemodelleerd bij PPPL. de experimenten, waaruit bleek dat tijdelijke CHI kon worden opgeschaald van kleinere naar grotere machines, motiveerde de recente studie, zei Roger Raman, een natuurkundige van de Universiteit van Washington met een langdurige opdracht aan PPPL en een co-auteur van het artikel.

De studie wees uit dat de plaatsing van CHI-elektroden in de eerdere experimenten "een ernstige zwakte kon vertonen wanneer opgeschaald naar een reactor, " zei Hammond. Vervolgens analyseerde hij een alternatieve elektrodeconfiguratie vergelijkbaar met een die momenteel wordt gebruikt in QUEST, een bolvormige tokamak in Japan. De bevindingen toonden aan dat de alternatieve configuratie goed zou kunnen opschalen in een toekomstige sferische tokamak-gebaseerde fusiefaciliteit ontworpen bij PPPL. "Het goede nieuws van deze studie is dat de prognoses voor het opstarten in grootschalige apparaten er veelbelovend uitzien, ' zei Hammond.

Waardevol potentieel

De CHI-techniek heeft een waardevol potentieel, was het met Tom Brown eens, een hoofdingenieur bij PPPL die hielp bij het ontwerpen van het concept van de toekomstige bolvormige faciliteit. "Als het lukt, CHI zou ruimte kunnen bieden voor interne componenten die de prestaties van sferische apparaten zouden kunnen verbeteren, " zei Brown. Echter, hij voegde toe, "verdere technische details moeten op experimenteel niveau worden ontwikkeld die ook kunnen werken binnen een [demonstratie]-apparaat op een hoger niveau en ook in een eventuele fusie-energiecentrale."

Onderzoekers hebben tot nu toe de CHI-schaling getest in simulaties die zijn uitgevoerd op de Tokamak-simulatiecode, een computerprogramma gemaakt door PPPL-natuurkundige Stephen Jardin dat plasma's over de hele wereld heeft gemodelleerd. Jardin, een co-auteur van de Fysica van plasma's verslag doen van, werkte samen met Raman om de simulatie te produceren waarnaar in de paper wordt verwezen. "Hoewel CHI nooit is getest op een apparaat op grote reactorschaal, "Hammond zei, "we zijn optimistisch dat dezelfde relaties zullen gelden voor de grotere omvang met sterkere magnetische velden."

Toekomstige experimenten zijn gepland op URANIA, een solenoïde-vrije sferische tokamak aan de Universiteit van Wisconsin-Madison. De nieuwe experimenten zullen het opstarten van plasma testen met twee onafhankelijk bediende tijdelijke CHI-elektroden - een configuratie die meer flexibiliteit zou kunnen opleveren voor het optimaliseren van het veelbelovende systeem.