Een team van de DIII-D National Fusion Facility onder leiding van een William &Mary-fysicus heeft een aanzienlijke vooruitgang geboekt in het begrip van de natuurkunde, wat een belangrijke stap is in de richting van praktische fusie-energie.

Het werk, gepubliceerd in een artikel in het tijdschrift Kernfusie , helpt de relatie tussen drie variabelen beter te verklaren:plasmaturbulentie, het transport van elektronen door het plasma en de elektronendichtheid in de kern. Omdat deze factoren sleutelelementen zijn van de fusiereactie, dit begrip zou het vermogen om de prestaties en efficiëntie van fusieplasma's te voorspellen aanzienlijk kunnen verbeteren, een noodzakelijke stap in de richting van commerciële fusiecentrales.

"We weten al een tijdje dat er een verband is tussen de kernelektronendichtheid, elektron-ionbotsingen en deeltjesbeweging in het plasma, " zei William &Mary's Saskia Mordijck, die het multi-institutionele onderzoeksteam van DIII-D leidde. "Helaas, tot nu toe heeft onderzoek die relatie niet kunnen ontwarren van de andere componenten die de elektronendichtheidspatronen beïnvloeden."

Mordijck, een assistent-professor in William &Mary's Department of Physics, merkt op dat naast de internationale inspanning bij DIII-D, W&M heeft bijgedragen aan soortgelijke experimenten in de Europese Unie.

DIII-D, die General Atomics opereert als een nationale gebruikersfaciliteit voor het Department of Energy's Office of Science, is de grootste onderzoeksfaciliteit voor magnetische kernfusie in het land. Het biedt onderdak aan onderzoekers van meer dan 100 instellingen over de hele wereld, waaronder 40 universiteiten. Het hart van de faciliteit is een tokamak die krachtige elektromagneten gebruikt om een ​​donutvormig magnetisch vat te produceren voor het opsluiten van een fusieplasma. In DIII-D, plasmatemperaturen die meer dan 10 keer heter zijn dan die van de zon worden routinematig bereikt. Bij zulke extreem hoge temperaturen, waterstofisotopen kunnen samensmelten en energie vrijgeven.

In een tokamak, fusievermogen wordt bepaald door temperatuur, plasmadichtheid en opsluitingstijd. Fusie winst, uitgedrukt als het symbool Q, is de verhouding tussen het fusievermogen en het ingangsvermogen dat nodig is om de reactie in stand te houden en is dus een belangrijke indicator van de efficiëntie van het apparaat. Bij Q =1, het break-even punt is bereikt, maar door warmteverliezen, zelfvoorzienende plasma's worden pas bereikt rond Q =5. De huidige systemen hebben geëxtrapoleerde waarden van Q =1,2 bereikt. Het ITER-experiment in aanbouw in Frankrijk zal naar verwachting Q =10 behalen, maar commerciële fusiecentrales zullen waarschijnlijk nog hogere Q-waarden moeten halen om zuinig te zijn.

Omdat elektronendichtheid in de plasmakern een cruciaal element is van fusieversterking, wetenschappers ontwikkelen methoden om grotere piekdichtheden te bereiken. Een eerder geïdentificeerde benadering die veelbelovend is, is het verminderen van elektron-ionbotsingen, een parameter die plasmafysici collisionaliteit noemen. Echter, eerder onderzoek was niet in staat om de exacte relatie tussen dichtheidspieken en collisionaliteit vast te stellen, noch het effect isoleren van andere kenmerken van het plasma.

Het DIII-D-team voerde een reeks experimenten uit waarbij alleen de botsing tussen plasma werd gevarieerd, terwijl andere parameters constant werden gehouden. De resultaten toonden aan dat lage collisionaliteit de elektronendichtheid verbetert door de vorming van een interne barrière tegen deeltjesbeweging door het plasma, wat op zijn beurt de plasmaturbulentie veranderde. Eerder werk had gesuggereerd dat het effect te wijten zou kunnen zijn aan plasmaverwarming door injectie met neutrale straal, maar de experimenten tonen aan dat het verband hield met deeltjestransport en turbulentie.

"Dit werk verbetert het begrip van elektronengedrag in de plasmakern aanzienlijk, wat een gebied is dat van groot belang is voor het vergroten van de fusiewinst, " zei David Hill, directeur van DIII-D. "Dit is weer een belangrijke stap in de richting van praktische fusie-energie in toekomstige commerciële reactoren."