Een belangrijke uitdaging voor het opvangen en beheersen van fusie-energie op aarde is het handhaven van de stabiliteit van plasma - het elektrisch geladen gas dat fusiereacties voedt - en het miljoenen graden heet houden om fusiereacties te lanceren en te behouden. Deze uitdaging vereist het beheersen van magnetische eilanden, belachtige structuren die zich in het plasma vormen in donutvormige tokamak-fusiefaciliteiten. Deze eilanden kunnen groeien, het plasma afkoelen en verstoringen veroorzaken - het plotseling vrijkomen van energie die in het plasma is opgeslagen - die fusiereacties kunnen stoppen en de fusie-installaties waarin ze zich bevinden ernstig kunnen beschadigen.

Verbeterde eilandcontrole

Onderzoek door wetenschappers van Princeton University en van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) wijst op verbeterde controle van de lastige magnetische eilanden in ITER, de internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk, en andere toekomstige fusiefaciliteiten die geen grote verstoringen kunnen toelaten. "Dit onderzoek zou de deur kunnen openen naar verbeterde controleschema's die voorheen onbereikbaar werden geacht, " zei Eduardo Rodriguez, een afgestudeerde student in het Princeton Program in Plasma Physics en eerste auteur van een paper in Fysica van plasma's die de bevindingen meldt.

Het onderzoek is een vervolg op eerder werk van Allan Reiman en Nat Fisch, die een nieuw effect identificeerde genaamd "RF [radiofrequentie] stroomcondensatie" dat de stabilisatie van magnetische eilanden aanzienlijk kan vergemakkelijken. De nieuwe Fysica van plasma's paper laat zien hoe je het effect optimaal kunt benutten. Reiman is een Distinguished Research Fellow bij PPPL en Fisch is professor aan de Princeton University en directeur van het Princeton-programma in plasmafysica en Associate Director of Academic Affairs bij PPPL.

Fusiereacties combineren lichte elementen in de vorm van plasma - de toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - om enorme hoeveelheden energie in de zon en de sterren te genereren. Wetenschappers over de hele wereld proberen het proces op aarde te reproduceren voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken voor de hele mensheid.

Het nieuwe papier, gebaseerd op een vereenvoudigd analytisch model, richt zich op het gebruik van RF-golven om de eilanden te verwarmen en elektrische stroom aan te drijven waardoor ze krimpen en verdwijnen. Als de temperatuur voldoende hoog wordt, gecompliceerde interacties kunnen optreden die leiden tot het RF-stroomcondensatie-effect, die de stroom in het midden van het eiland concentreert en de stabilisatie aanzienlijk kan verbeteren. Maar naarmate de temperatuur stijgt, en de gradiënt van de temperatuur tussen de koudere rand en het warme binnenland van het eiland wordt groter, de gradiënt kan instabiliteiten veroorzaken die het moeilijker maken om de temperatuur verder te verhogen.

Punt-contrapunt

Dit punt-contrapunt is een belangrijke indicator of de RF-golven hun stabiliserende doel zullen bereiken. "We analyseren de interactie tussen de huidige condensatie en de verhoogde turbulentie van de gradiënt die de verwarming creëert om te bepalen of het systeem gestabiliseerd is of niet, " zegt Rodriguez. "We willen dat de eilanden niet groeien." Het nieuwe artikel laat zien hoe je de kracht en het richten van de golven kunt regelen om optimaal gebruik te maken van het RF-stroomcondensatie-effect, rekening houdend met de instabiliteiten. Hierop focussen kan leiden tot een betere stabilisatie van fusiereactoren, ' zei Rodríguez.

De onderzoekers zijn nu van plan om nieuwe aspecten in het model te introduceren om een ​​meer gedetailleerd onderzoek te ontwikkelen. Dergelijke stappen omvatten het werk dat wordt gedaan om het condensatie-effect in computercodes op te nemen om het gedrag van gelanceerde RF-golven en hun werkelijke effect te modelleren. De techniek zou uiteindelijk worden gebruikt bij het ontwerpen van optimale eilandstabilisatieschema's.