Wetenschappers die de fusie naar de aarde willen brengen die de zon en de sterren aandrijft, moeten de hete, geladen plasma - de toestand van materie bestaande uit vrij zwevende elektronen en atoomkernen, of ionen - die fusiereacties voeden. Voor wetenschappers die het plasma opsluiten in magnetische velden, een belangrijke taak vraagt ​​om het in kaart brengen van de vorm van de velden, een proces dat bekend staat als het meten van het evenwicht, of stabiliteit, van het plasma. Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), onderzoekers hebben een nieuwe meettechniek voorgesteld om problemen te voorkomen die verwacht worden bij het in kaart brengen van de velden op grote en krachtige toekomstige tokamaks, of magnetische fusie-apparaten, die de reacties huisvesten.

Neutronenbombardementen

Zulke tokamaks, inclusief ITER, het grote internationale experiment in aanbouw in Frankrijk, zal neutronenbombardementen produceren die de interne diagnostiek kunnen beschadigen die nu wordt gebruikt om de velden in huidige faciliteiten in kaart te brengen. PPPL stelt daarom het gebruik van een alternatief diagnostisch systeem voor dat zou kunnen werken in omgevingen met veel neutronen.

Het systeem, een type plasmadiagnose genaamd "Electron Cyclotron Emission (ECE), " meet de temperatuur van de elektronen die rond de veldlijnen cirkelen. "Door een ECE-systeem te gebruiken, we kunnen leren over de plasmatemperatuur en over fluctuaties in het plasma, " zei Andrew "Eik" Nelson, een afgestudeerde student in plasmafysica aan PPPL en eerste auteur van een Plasma Physics and Controlled Fusion paper dat het onderzoek rapporteert. "Deze voorgestelde methode kan worden ontwikkeld tot een stand-alone kaarttool of worden gebruikt met bestaande tools."

De methode combineert ECE-gegevens met een snelcamerabeeld dat wordt gebruikt om de grens van het plasma te meten. De combinatie biedt "diagnostiek die robuust kan worden ontworpen in omgevingen met veel neutronen, " volgens de krant. Het proces werkt als volgt:

• Onderzoekers observeren de straling die de fietsende elektronen uitzenden;
• De straling levert gegevens over de temperatuur en modi, of instabiliteiten, die in het plasma groeien;
• Met de gegevens kan het "q-profiel" worden gemeten:de helix, of spiraalsgewijs, van het magnetische veld;
• Meting van de heliciteit stelt tokamak-operators in staat om het evenwicht van het plasma in kaart te brengen en te regelen.

Een proces omkeren

Deze techniek, die onderzoekers testten op een gesimuleerde ontlading van het National Spherical Torus Experiment (NSTX) bij PPPL voorafgaand aan de upgrade, keert een proces om dat normaal wordt gebruikt in fusieonderzoek. "Mensen halen het q-profiel meestal uit het evenwicht, " zei Nelson, "maar ons artikel laat zien dat je ook het evenwicht kunt krijgen door het q-profiel te kennen."

In nauwe samenwerking met Nelson was zijn adviseur, PPPL-fysicus Egemen Kolemen, een assistent-professor aan de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van Princeton University. "Oak is een buitengewoon getalenteerde student, Kolemen zei. "De methode die hij ontwikkelde maakt het mogelijk om de toestand van het fusieplasma te construeren met slechts één enkele diagnose, ECE. Dit is handig voor veel tokamaks, waaronder ITER, omdat het combineren van veel verschillende diagnostiek problematisch en foutgevoelig is."

Onderzoekers zijn nu van plan om de ECE-techniek te testen op een breed scala aan plasmaontladingen. Een bewezen en volledig ontwikkelde techniek zou een waardevol systeem kunnen opleveren voor het in kaart brengen van de cruciale magnetische velden in ITER en tokamaks van de volgende generatie.