Wetenschappers die magnetische velden gebruiken om de fusiereacties die de zon en de sterren aandrijven op aarde op te kroppen en te controleren, moeten eventuele fouten corrigeren in de vorm van de velden die de reacties bevatten. Dergelijke fouten veroorzaken afwijkingen van de symmetrische vorm van de velden in donutachtige tokamak-fusiefaciliteiten die een schadelijke invloed kunnen hebben op de stabiliteit en opsluiting van de hete, geladen plasmagas dat de reacties voedt.

Onderzoekers onder leiding van wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben duidelijk bewijs gevonden van de aanwezigheid van foutvelden in de eerste 10 weken durende run van het National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) , de vlaggenschipfusiefaciliteit in het laboratorium. De uitgebreide detectiemethode die ze gebruikten, zou lessen kunnen opleveren voor foutcorrectie in toekomstige fusie-apparaten zoals ITER, de grote internationale fusie-installatie in aanbouw in Frankrijk om de bruikbaarheid van gecontroleerde fusie-energie aan te tonen.

Fusie drijft de zon en de sterren aan

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 enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers over de hele wereld proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Bij PPPL, onderzoekers hebben een combinatie van experimentele gegevens samengesteld, gedetailleerde meting van de positie van de magneten, en computermodellering van de respons van het plasma om de bron van de NSTX-U-foutvelden te lokaliseren. De analyse bracht een spectrum aan kleine foutvelden aan het licht - een onvermijdelijk gevolg van het feit dat een tokamak niet perfect symmetrisch kan zijn - maar de meeste hadden een gemakkelijk te corrigeren impact op het plasma. Echter, een belangrijke vondst viel op:een kleine verkeerde uitlijning van de magnetische spoelen die door het midden van de tokamak lopen en de velden produceren die zich horizontaal - of "toroïdaal" - rond het binnenste van het vat wikkelen.

De aanwijzing die wetenschappers zochten

Deze verkeerde uitlijning was de aanwijzing die de wetenschappers hadden gezocht. "We hebben gezocht naar de bron van de fout met de grootste impact op het plasma, " zei natuurkundige Nate Ferraro, eerste auteur van het onderzoek dat de zoektocht en ontdekking in Kernfusie . "Wat we vonden was een kleine afwijking van de centrale spoelen met de behuizing die ze omsluit."

De kleine verkeerde uitlijning veroorzaakte fouten die resoneerden in het gedrag van het plasma. Een van de problemen was een remmend en vergrendelend effect dat ervoor zorgde dat de rand van het plasma niet kon roteren, en verhoogde gelokaliseerde verwarming op naar plasma gerichte componenten in de tokamak.

De ontdekking van de verkeerde uitlijning volgde op het stilleggen van de tokamak voor lopende reparaties in de nasleep van een spoelstoring. De bevindingen over de verkeerde uitlijning worden nu gebruikt "om nieuwe technische tolerantie-eisen voor NSTX-U aan te sturen terwijl het wordt herbouwd, ", aldus de onderzoekers. Dergelijke vereisten vragen om een ​​strakkere tolerantie tussen de middenconsole en de behuizing die het omsluit. De nauwere tolerantie zou de afwijking van een optimale uitlijning van de twee componenten verkleinen tot minder dan twee honderdste van een inch langs de verticale as van de middenconsole.

De aanpassing zou de zorgen over een grotere plaatselijke verwarming wegnemen en het magnetisch remmen en vergrendelen verminderen, volgens de auteurs. Dergelijke ontwikkelingen zouden daardoor de stabiliteit van het plasma verbeteren. "Elke tokamak maakt zich zorgen over foutvelden, " zei Ferraro. "Wat we proberen te doen is de NSTX-U optimaliseren."

Samenwerking met experimenten

De bevindingen tonen de relatie aan tussen de PPPL-theorieafdeling en het NSTX-U-experiment, zei Amitava Bhattacharjee, wie leidt Theorie. "Dit is een uitstekend voorbeeld van het NSTX-U-Theory Partnership-programma dat gunstig is geweest voor zowel de NSTX-U- als de theorieafdeling van PPPL, en die doorgaat, zelfs wanneer NSTX-U in herstel is, ' zei Bhattacharjee.

Leden van het onderzoeksteam waren wetenschappers van PPPL, Sandia Nationaal Laboratorium, General Atomics en Oak Ridge National Laboratory. Het DOE Office of Science financierde het werk.