Hoe start je een fusiereactie, het proces dat de zon en de sterren verlicht, op aarde? Zoals het aansteken van een lucifer om vuur te maken, je maakt eerst plasma, de toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die fusiereacties voeden, en verhoog het in honderden milliseconden tot temperaturen die wedijveren met de zon.

Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), werken met onderzoekers van het Culham Centre for Fusion Energy (CCFE) in het Verenigd Koninkrijk, hebben een simulatieraamwerk geconstrueerd voor het ontwikkelen en testen van de plasma-opstartrecepten voor de National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) bij PPPL en de Mega Ampere Spherical Tokamak-Upgrade (MAST-U) bij CCFE. "Dit is een hulpmiddel om een ​​operator te helpen bij het ontwerpen van een succesvol opstartrecept voordat hij plaatsneemt op de bestuurdersstoel bij NSTX-U of MAST-U, " zei natuurkundige Devon Battaglia, die het team van operators van het NSTX-U-experiment leidt en hoofdauteur is van een paper waarin het model in het tijdschrift wordt beschreven Kernfusie .

Fuserende plasmadeeltjes

Fusie smelt plasmadeeltjes samen om enorme hoeveelheden energie vrij te maken. Wetenschappers over de hele wereld proberen het hemelse proces na te bootsen om een ​​veilige, schoon, en een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening voor de opwekking van elektriciteit.

Het typische recept voor het vormen van een plasma in magnetische fusie-apparaten, tokamaks genaamd, begint met het aanleggen van spanning over een gas dat in een sterk magnetisch veld wordt geïnjecteerd. Het gas wordt binnen enkele milliseconden plasma en warmt snel op tot miljoenen graden. Het creëren van het beste recept voor een succesvolle startup vraagt ​​om fijnafstemming van de gasdruk met een consistente evolutie van de elektrische en magnetische velden, een delicate taak die op de bediener berust.

De nieuwe simulatiemogelijkheid stelt operators in staat om snel dat evenwicht te bereiken, de hoeveelheid tijd die wordt besteed aan het uitvoeren van experimenten om een ​​recept te vinden dat werkt, aanzienlijk verminderen.

Onderzoekers hebben de modellen in het simulatieraamwerk afgeleid en gevalideerd aan de hand van gegevens die zijn verzameld uit eerdere experimenten op de NSTX-U en zijn voorganger, en de voorloper van MAST-U. Battaglia werkte nauw samen met natuurkundigen van CCFE om het nieuwe model te ontwikkelen, van het papier een gezamenlijke inspanning maken, en zal daar weer naartoe reizen voor de geplande opstart van MAST-U.

"Plasma-afbraak is een belangrijke mijlpaal voor MAST-U en het werk van Devon biedt waardevol inzicht in de beste route om het opstarten te bereiken, " zei natuurkundige Andrew Thornton, hoofdoperator bij MAST-U en co-auteur van het artikel. "Het hebben van Devon's expertise ter plaatse wanneer we opnieuw opstarten, zal enorm waardevol zijn, aangezien hij soortgelijke experimenten op NSTX-U heeft uitgevoerd die de inspanningen op MAST-U kunnen begeleiden."

Nieuwe inzichten geven

Ontwikkeling van het model geeft nieuwe inzichten in het opstarten van sferische tokamaks zoals NSTX-U en MAST-U, die de vorm hebben van appels zonder klokhuis in plaats van de donutachtige vorm van meer algemeen gebruikte conventionele tokamaks. Het proces van het samenstellen van het simulatiekader heeft ook bijgedragen aan de inspanningen om rekenhulpmiddelen te ontwikkelen voor de eerste werking van ITER, de internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk om de bruikbaarheid van fusie-energie te demonstreren.