Stellarators, bochtige machines die fusiereacties huisvesten, vertrouwen op complexe magnetische spoelen die een uitdaging zijn om te ontwerpen en te bouwen. Nutsvoorzieningen, een natuurkundige van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een wiskundige techniek ontwikkeld om het ontwerp van de spoelen te vereenvoudigen, het maken van stellarators een potentieel meer kosteneffectieve faciliteit voor het produceren van fusie-energie.

"Ons belangrijkste resultaat is dat we een nieuwe methode hebben bedacht om de onregelmatige magnetische velden te identificeren die worden geproduceerd door stellaratorspoelen, " zei natuurkundige Caoxiang Zhu, hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in Kernfusie . "Deze techniek kan je van tevoren laten weten welke spoelvormen en -plaatsingen de magnetische opsluiting van het plasma kunnen schaden, beloven een kortere bouwtijd en lagere kosten."

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. Twisty, cruller-vormige stellarators zijn een alternatief voor donutvormige tokamaks die vaker worden gebruikt door wetenschappers die fusie op aarde willen repliceren voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Een belangrijk voordeel van stellarators is hun productie van zeer stabiele plasma's die minder gevoelig zijn voor de schadelijke verstoringen die tokamaks kunnen veroorzaken. Maar de complexiteit van stellaratorspoelen was een factor die de ontwikkeling van dergelijke faciliteiten tegenhield.

De spoelen van een stellarator moeten heel precies rond de vacuümkamer worden geconstrueerd en gerangschikt, aangezien afwijkingen van de beste spoelopstelling hobbels en schommelingen in het magnetische veld veroorzaken die de magnetische opsluiting verslechteren en het plasma laten ontsnappen. Deze problematische magnetische velden kunnen gemakkelijk worden veroorzaakt door verkeerde plaatsing van de magnetische spoelen, daarom stellen ingenieurs strikte toleranties voor deze componenten.

"De grote uitdaging bij het bouwen van stellarators is om erachter te komen hoe ze eenvoudig en economisch kunnen worden gemaakt, "Zei PPPL-hoofdwetenschapper Michael Zarnstorff. "Zhu's onderzoek is belangrijk omdat hij zorgvuldiger en kwantitatief probeert te kijken naar enkele van de oorzaken van de kosten. Zijn resultaten suggereren dat we de constructie van stellarators kunnen vereenvoudigen en ze daardoor gemakkelijker en goedkoper te bouwen kunnen maken, door niet aan te dringen op strakke toleranties voor dingen die er niet toe doen."

Vroeger, wetenschappers hebben computersimulaties gebruikt om te bepalen welke spoelplaatsingen het beste zouden zijn, het controleren van de reacties van het plasma op alle mogelijke magnetische configuraties voordat de stellarator werd gebouwd. Maar omdat er veel manieren zijn waarop de spoelen kunnen variëren, "Deze aanpak vereist enorme rekenkracht en manuren, " zei Zhu. "In deze krant, we stellen een nieuwe wiskundige methode voor om snel gevaarlijke spoelafwijkingen te identificeren die kunnen optreden tijdens fabricage en montage."

De methode is gebaseerd op een Hessische matrix, een wiskundig hulpmiddel waarmee onderzoekers kunnen bepalen welke variaties van de magnetische spoelen ervoor kunnen zorgen dat het plasma van eigenschappen verandert. "Het idee is om erachter te komen welke verstoringen je echt moet beheersen of vermijden, en die je kunt negeren, ' zei Zhu.

Het team heeft onlangs de nauwkeurigheid van de nieuwe methode bevestigd door deze te gebruiken om spoelplaatsingen te analyseren voor een configuratie die lijkt op de Columbia Non-Neutral Torus, een kleine fusie-installatie die wordt geëxploiteerd door Columbia University. Ze vergeleken de resultaten met die van eerdere onderzoeken die op conventionele methoden waren gebaseerd en kwamen tot de conclusie dat ze het ermee eens waren. Het team werkt nu samen met onderzoekers in China om de methode te gebruiken om de plaatsing van de spoel op de Chinese First Quasi-axisymmetric Stellarator (CFQS) te optimaliseren, momenteel in aanbouw.

De nieuwe techniek kan wetenschappers helpen betere stellarators te ontwerpen, zei Zhu. Het zou manieren kunnen bieden om een ​​optimale spoelopstelling te identificeren waar niemand eerder aan had gedacht.