Onderzoekers hebben ontdekt dat het injecteren van pellets van waterstofijs in plaats van het opblazen van waterstofgas de fusieprestaties in de DIII-D National Fusion Facility verbetert, die General Atomics opereert voor het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE). De studies door natuurkundigen gebaseerd op DOE's Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en Oak Ridge National Laboratory (ORNL) vergeleken de twee methoden, vooruitkijkend naar de brandstof die in ITER zal worden gebruikt, het internationale fusie-experiment in aanbouw in Frankrijk.

Verbeter de temperatuur

De onderzoekers toonden aan dat ijzige waterstofkorrels de temperatuur van het fusieplasma verbeteren in vergelijking met de gasaanvoermethode die nu typisch wordt gebruikt in donutvormige fusiefaciliteiten, tokamaks genaamd. Hogere temperaturen zijn gunstig voor de fusiereacties. De resultaten op DIII-D zijn bemoedigend voor ITER, die van plan is om pelletinjectie te gebruiken om zijn hete binnenkern van brandstof te voorzien.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de toestand van de materie die bestaat uit positief geladen atoomkernen en negatief geladen elektronen - om enorme hoeveelheden energie te creëren. Wetenschappers proberen kernfusie op aarde na te bootsen voor een veilige, schone en vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Een uitdaging voor het produceren van fusie-energie is hoe koude waterstofbrandstof in de hete plasmakern te krijgen. De zon heeft alle waterstof die hij miljarden jaren nodig heeft, maar fusiereactoren op aarde moeten constant waterstof in het plasma voeren om de fusiereacties in stand te houden. In huidige experimenten is het puffen van gas op kamertemperatuur de meest gebruikelijke manier om waterstof te injecteren.

Groter en heter

Echter, naarmate fusiereactoren groter en heter worden, zal het voor het gas moeilijker worden om door te dringen in de kern van de reactor waar fusiereacties plaatsvinden. Er moeten dus nieuwe methoden worden ontwikkeld om de fusiekern te voeden zonder de plasmaprestaties te verminderen.

De gezamenlijke onderzoeksinspanning op DIII-D vergeleek de twee brandstofmethoden in high-performance plasma's die voor ITER zijn gepland. De experimenten onthulden een significant hogere plasmadruk - een sleutel tot fusiereacties - met behulp van waterstofijs in vergelijking met gasinjectie wanneer de snelheid van tanken ongeveer gelijk is tussen de twee methoden.

"De brandstofvoorziening speelt een grote rol in de prestaties van het edge-plasma, " zei Andrew "Eik" Nelson, een afgestudeerde student in het Program in Plasma Physics aan de Princeton University en eerste auteur van het artikel over kernfusie waarin deze resultaten worden beschreven. Nelson maakt deel uit van een multi-institutioneel team dat de experimenten zorgvuldig heeft ontworpen en uitgevoerd.

Wetenschappers bij ORNL

De technologie voor het injecteren van de ijspellets is ontwikkeld door wetenschappers van ORNL. Interpretatie van de experimentele resultaten vereist geavanceerde wetenschappelijke instrumenten die zijn ontwikkeld door meerdere samenwerkende instellingen op DIII-D. "Het is geweldig om te zien hoe onze multi-institutionele inspanning samenkwam om deze belangrijke brandstofkwestie voor ITER en toekomstige reactoren aan te pakken, " zei Morgan Shafer, een hoofdonderzoeker bij ORNL en een co-auteur van het artikel.

Het onderzoek laat ook zien hoe afgestudeerde studenten een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan fusie-energie door te werken aan deze grote nationale onderzoeksfaciliteiten. "Voor een afgestudeerde student om een ​​belangrijke rol te spelen in dit experimentele onderzoek naar DIII-D is indrukwekkend, zei Egemen Kolemen, een natuurkundige van PPPL en Princeton University die adviseur was voor het project. "Het succes van Oak laat zien hoe grote fusie-experimenten aanzienlijke leiderschapskansen bieden voor studenten en wetenschappers in het begin van hun loopbaan."