Een belangrijke hindernis voor fusie-apparaten die stellarators worden genoemd - kronkelige faciliteiten die op aarde de fusiereacties die de zon en de sterren aandrijven proberen te benutten - is hun beperkte vermogen om de warmte en prestaties van het plasma dat deze reacties voedt, te behouden. Nu gezamenlijk onderzoek door wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) en het Max Planck Institute for Plasma Physics in Greifswald, Duitsland, hebben ontdekt dat de Wendelstein 7-X (W7-X) faciliteit in Greifswald, de grootste en meest geavanceerde stellarator ooit gebouwd, heeft aangetoond dat dit een belangrijke stap is om dit probleem op te lossen.

Geavanceerde faciliteit

De hypermoderne faciliteit, gebouwd en ondergebracht bij het Max Planck Institute for Plasma Physics met PPPL als de leidende Amerikaanse medewerker, is ontworpen om de prestaties en stabiliteit van het plasma te verbeteren - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, dat maakt 99 procent uit van het zichtbare heelal. Fusiereacties fuseren ionen om enorme hoeveelheden energie vrij te maken - het proces dat wetenschappers op aarde willen creëren en beheersen om veilige, schone en vrijwel onbeperkte kracht om elektriciteit op te wekken voor de hele mensheid.

Recent onderzoek naar de W7-X was bedoeld om te bepalen of het ontwerp van de geavanceerde faciliteit de lekkage van warmte en deeltjes uit de kern van het plasma zou kunnen temperen, wat de opmars van stellarators lang heeft vertraagd. "Dat is een van de belangrijkste vragen bij de ontwikkeling van stellarator-fusie-apparaten, " zei PPPL-natuurkundige Novimir Pablant, hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden beschreven in Kernfusie .

Zijn werk valideert een belangrijk aspect van de bevindingen. Het onderzoek, gecombineerd met de bevindingen van een geaccepteerd artikel van Max Planck-natuurkundige Sergey Bozhenkov en een artikel dat wordt beoordeeld door natuurkundige Craig Beidler van het instituut, laat zien dat het geavanceerde ontwerp de lekkage wel verzacht. "Onze resultaten toonden aan dat we veel eerder dan verwacht een eerste glimp van onze beoogde fysica-regimes hadden, "Zei Max Planck-natuurkundige Andreas Dinklage. "Ik herinner me mijn opwinding toen ik Novi's onbewerkte gegevens in de controlekamer zag direct na het schot. Ik realiseerde me meteen dat het een van de zeldzame momenten in het leven van een wetenschapper was dat het bewijs dat je meet, aantoont dat je de goede weg volgt. Maar ook nu is er nog een lange weg te gaan."

Vaak voorkomend probleem

de lekkage, genaamd "vervoer, " is een veelvoorkomend probleem voor stellarators en meer algemeen gebruikte fusie-apparaten, tokamaks genaamd, die traditioneel beter met het probleem omgingen. Twee omstandigheden leiden tot transport in deze faciliteiten, die het plasma opsluiten in magnetische velden waar de deeltjes omheen draaien.

Deze voorwaarden zijn:

• Turbulentie. De onhandelbare wervelingen en wervelingen van plasma kunnen transport veroorzaken;
• Botsingen en banen. De deeltjes die om magnetische veldlijnen draaien, kunnen vaak botsen, ze uit hun banen slaan en veroorzaken wat natuurkundigen 'neoklassiek transport' noemen.

Ontwerpers van de W7-X stellarator probeerden neoklassiek transport te verminderen door het complex zorgvuldig vorm te geven, driedimensionale magnetische spoelen die het beperkende magnetische veld creëren. Om de effectiviteit van het ontwerp te testen, onderzoekers onderzochten complementaire aspecten ervan.

Pablant ontdekte dat metingen van het gedrag van plasma in eerdere W7-X-experimenten goed overeenkwamen met de voorspellingen van een code ontwikkeld door Matt Landreman van de Universiteit van Maryland die parallel loopt met die welke de ontwerpers gebruikten om de draaiende W7-X-spoelen te vormen. Bozhenov wierp een gedetailleerde blik op de experimenten en Beidler herleidde de controle van de lekkage tot het geavanceerde ontwerp van de stellarator.

"Dit onderzoek valideert voorspellingen over hoe goed het geoptimaliseerde ontwerp van de W7-X neoklassiek transport vermindert, " zei Pablant. Ter vergelijking:hij voegde toe, "Niet-geoptimaliseerde stellarators hebben het erg slecht gedaan" bij het beheersen van het probleem.

Verder voordeel

Een ander voordeel van het geoptimaliseerde ontwerp is dat het laat zien waar het meeste transport in de W7-X stellarator nu vandaan komt. "Hierdoor kunnen we bepalen hoeveel turbulent transport er plaatsvindt in de kern van het plasma, Pablant zei. "Het onderzoek markeert de eerste stap om aan te tonen dat krachtige stellaratorontwerpen zoals W-7X een aantrekkelijke manier zijn om een ​​schone en veilige fusiereactor te produceren."