Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben waardevolle informatie ontdekt over hoe elektrisch geladen gas dat bekend staat als 'plasma' stroomt aan de rand in donutvormige fusie-apparaten die 'tokamaks' worden genoemd. De bevindingen markeren een bemoedigend teken voor de ontwikkeling van machines om fusie-energie te produceren voor het opwekken van elektriciteit zonder langdurig gevaarlijk afval te creëren.

Het resultaat bevestigt gedeeltelijk eerdere PPPL-bevindingen dat de breedte van de warmte-afvoer geproduceerd door fusiereacties zes keer groter zou kunnen zijn, en daardoor minder smal, geconcentreerd, en schadelijk, dan was gedacht. "Deze bevindingen zijn goed nieuws voor ITER, " zei PPPL-natuurkundige C.S. Chang, hoofdauteur van een beschrijving van het onderzoek in Fysica van plasma's , verwijzend naar het internationale fusie-experiment in aanbouw in Frankrijk. "De bevindingen tonen aan dat de warmte-afvoer in ITER een kleinere kans heeft om de machine te beschadigen, ' zei Chang.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, is het samensmelten van lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die energie produceert. Wetenschappers over de hele wereld proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Het superhete plasma in tokamaks, die honderden miljoenen graden kan bereiken, wordt begrensd door magnetische velden die het plasma van de wanden van de machines houden. Echter, deeltjes en warmte kunnen ontsnappen uit de opsluitingsvelden bij de "magnetische separatrix" - de grens tussen de magnetisch opgesloten en onbegrensde plasma's. Op deze grens, de veldlijnen kruisen elkaar op het zogenaamde X-punt, de plek waar de afvalwarmte en deeltjes ontsnappen en een doelwit raken dat de "afleiderplaat" wordt genoemd.

De nieuwe bevindingen onthullen het verrassende effect van het X-punt op de uitlaat door aan te tonen dat een heuvelachtige bult van elektrische lading optreedt bij het X-punt. Deze elektrische heuvel laat het plasma eromheen circuleren, voorkomen dat plasmadeeltjes in een rechte baan tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse gebieden van de veldlijnen reizen. In plaats daarvan, zoals auto's die rond een bouwplaats manoeuvreren, de geladen plasmadeeltjes maken een omweg om de heuvel heen.

De onderzoekers produceerden deze bevindingen met XGC, een geavanceerde computercode ontwikkeld met externe medewerkers bij PPPL die het plasma modelleert als een verzameling individuele deeltjes in plaats van als een enkele vloeistof. Het model, waaruit bleek dat de verbinding tussen het bovenstroomse plasma dat zich boven het X-punt bevindt en het stroomafwaartse plasma onder het X-punt gevormd is op een manier die niet voorspeld wordt door eenvoudigere codes, zou kunnen leiden tot nauwkeurigere voorspellingen over de uitlaat en toekomstige grootschalige installaties minder kwetsbaar maken voor interne schade.

"Dit resultaat laat zien dat het vorige model van de veldlijnen met fluxbuizen onvolledig is, "zei Chang - verwijzend naar de buisvormige gebieden rond gebieden met magnetische flux - "en dat het huidige begrip van de interactie tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse plasma's niet correct is. Onze volgende stap is om een ​​nauwkeuriger verband te vinden tussen de stroomopwaartse en stroomafwaartse plasma's met behulp van een code zoals de onze. Die kennis zal ons helpen nauwkeurigere vergelijkingen en verbeterde gereduceerde modellen te ontwikkelen, die in feite al aan de gang zijn."