Beryllium, een harde, zilverachtig metaal dat lang werd gebruikt in röntgenmachines en ruimtevaartuigen, vindt een nieuwe rol in de zoektocht om de kracht die de zon en de sterren naar de aarde drijft te brengen. Beryllium is een van de twee belangrijkste materialen die in ITER voor de wand worden gebruikt, een multinationale fusie-installatie in aanbouw in Frankrijk om de bruikbaarheid van fusie-energie aan te tonen. Nutsvoorzieningen, natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en General Atomics van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben geconcludeerd dat het injecteren van kleine berylliumpellets in ITER kan helpen bij het stabiliseren van het plasma dat fusiereacties voedt.

Experimenten en computersimulaties hebben aangetoond dat de geïnjecteerde korrels helpen om omstandigheden in het plasma te creëren die kleine uitbarstingen kunnen veroorzaken die edge-localized modes (ELM's) worden genoemd. Als het vaak genoeg wordt geactiveerd, de kleine ELM's voorkomen gigantische uitbarstingen die fusiereacties kunnen stoppen en de ITER-faciliteit kunnen beschadigen.

Wetenschappers over de hele wereld proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken. Het proces omvat plasma, een zeer hete soep van vrij zwevende elektronen en atoomkernen, of ionen. Bij het samensmelten van de kernen komt een enorme hoeveelheid energie vrij.

In de huidige experimenten, de onderzoekers injecteerden korrels koolstof, lithium, en boorcarbide - lichte metalen die verschillende eigenschappen van beryllium delen - in de DIII-D National Fusion Facility die General Atomics exploiteert voor de DOE in San Diego. "Deze lichte metalen zijn materialen die vaak worden gebruikt in DIII-D en delen verschillende eigenschappen met beryllium, " zei PPPL-natuurkundige Robert Lunsford, hoofdauteur van het artikel dat de resultaten rapporteert in Nucleaire materialen en energie . Omdat de interne structuur van de drie metalen vergelijkbaar is met die van beryllium, de wetenschappers concluderen dat al deze elementen ITER-plasma op vergelijkbare manieren zullen beïnvloeden. De natuurkundigen gebruikten ook magnetische velden om het DIII-D-plasma te laten lijken op het plasma zoals voorspeld wordt in ITER.

Deze experimenten waren de eerste in hun soort. "Dit is de eerste poging om erachter te komen hoe deze onzuiverheidpellets in ITER zouden binnendringen en of je genoeg van een verandering in temperatuur zou maken, dichtheid, en druk om een ​​ELM te activeren, " zei Rajesh Maingi, hoofd van plasma-edge research bij PPPL en co-auteur van het artikel. "En het lijkt er inderdaad op dat deze korrelinjectietechniek met deze elementen nuttig zou zijn."

Als, de injectie zou het risico op grote ELM's in ITER kunnen verlagen. "De hoeveelheid energie die door spontaan optredende ELM's in de eerste muren van ITER wordt gedreven, is voldoende om ernstige schade aan de muren te veroorzaken, " zei Lunsford. "Als er niets werd gedaan, u een onaanvaardbaar korte levensduur van de componenten zou hebben, mogelijk dat er om de paar maanden onderdelen moeten worden vervangen."

Lunsford gebruikte ook een programma dat hij zelf schreef dat aantoonde dat het injecteren van berylliumkorrels met een diameter van 1,5 millimeter, ongeveer de dikte van een tandenstoker, zou doordringen in de rand van het ITER-plasma op een manier die kleine ELM's zou kunnen veroorzaken. Op die maat, genoeg van het oppervlak van de korrel zou verdampen, of ablateren, om het beryllium te laten doordringen tot locaties in het plasma waar ELM's het meest effectief kunnen worden geactiveerd.

De volgende stap zal zijn om te berekenen of dichtheidsveranderingen veroorzaakt door de onzuiverheidpellets in ITER inderdaad een ELM zouden veroorzaken, zoals de experimenten en simulaties aangeven. Dit onderzoek wordt momenteel uitgevoerd in samenwerking met internationale experts van ITER.

De onderzoekers zien de injectie van berylliumkorrels als slechts een van de vele hulpmiddelen, inclusief het gebruik van externe magneten en het injecteren van deuteriumpellets, om het plasma te beheren in donutvormige tokamak-faciliteiten zoals ITER. De wetenschappers hopen soortgelijke experimenten uit te voeren op de Joint European Torus (JET) in het Verenigd Koninkrijk, momenteel 's werelds grootste tokamak, om de resultaten van hun berekeningen te bevestigen. zegt Lunsford, "We denken dat iedereen met een heleboel verschillende technieken moet samenwerken om het ELM-probleem echt onder controle te krijgen."