Alle pogingen om in tokamak-fusiefaciliteiten de fusie-energie die de zon en de sterren aandrijven te repliceren, moeten het hoofd bieden aan een constant probleem:tijdelijke hitte-uitbarstingen die fusiereacties kunnen stoppen en de donutvormige tokamaks kunnen beschadigen. Deze uitbarstingen, genaamd edge gelokaliseerde modi (ELM's), voorkomen aan de rand van hete, geladen plasmagas wanneer het in een hogere versnelling komt om fusiereacties te voeden.

Om dergelijke uitbarstingen te voorkomen, onderzoekers van de DIII-D National Fusion Facility, die General Atomics (GA) opereert voor het Amerikaanse ministerie van Energie (DOE), was eerder een pionier in een benadering die kleine rimpelingen van magnetische velden in het plasma injecteert om ervoor te zorgen dat warmte gecontroleerd weglekt. Nu hebben wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het DOE een controleschema ontwikkeld om de niveaus van deze velden te optimaliseren voor maximale prestaties zonder ELM's.

Pad naar het onderdrukken van ELM's

Het onderzoek, geleid door PPPL-natuurkundige Florian Laggner en gefinancierd door het DOE Office of Science, ontwikkelde de regeling bij DIII-D in San Diego. Laggner zei de methode, samen met onderzoekers van GA en andere samenwerkende instellingen, onthult een pad naar het onderdrukken van ELM's en het maximaliseren van de fusiekracht op ITER, de internationale tokamak in aanbouw in Frankrijk die is ontworpen om de bruikbaarheid van fusie-energie te demonstreren. "We tonen een pad voorwaarts, een manier waarop het kan, " zei Laggner, hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen in Kernfusie .

Fusie drijft de zon en de sterren aan door lichtelementen te combineren in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken - om enorme hoeveelheden energie te genereren. Wetenschappers over de hele wereld proberen fusie te benutten voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken.

De gedemonstreerde techniek maakt gebruik van de uitgebreide capaciteit van het DIII-D plasmacontrolesysteem om het inherente conflict tussen het optimaliseren van fusie-energie en het regelen van ELM's aan te pakken. De regeling richt zich op het "voetstuk, " de dunne, dichte laag plasma nabij de rand van de tokamak die de druk van het plasma verhoogt en dus de fusiekracht. Echter, als het voetstuk te hoog wordt, kan het ELM-warmtestoten veroorzaken door plotseling in te storten.

Dus de sleutel is het regelen van de hoogte van het voetstuk om het fusievermogen te maximaliseren en tegelijkertijd te voorkomen dat de laag zo hoog wordt dat het ELM's activeert. De combinatie vraagt ​​om realtime controle van het proces. "Je kunt vooraf niet zomaar een vast schema voorprogrammeren, aangezien de plasma- en wandcondities kunnen evolueren, zei Egemen Kolemen, een assistent-professor Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek aan de Princeton University en een PPPL-fysicus die toezicht hield op het project. "De besturing moet realtime bijsturen."

Stabiele ELM-onderdrukking

Het ontwikkelde systeem creëerde ELM-onderdrukking bij de minimale amplitude, of maat, van de magnetische storing. Het verminderde de amplitude verder om gedeeltelijk herstel van de tijdens het proces verloren opsluiting mogelijk te maken, waardoor zowel stabiele ELM-onderdrukking als hoge fusieprestaties worden bereikt.

"Laggner en collega's hebben een indrukwekkende reeks controletools samengesteld om de kern- en randplasmastabiliteit in realtime te regelen, " zei GA-natuurkundige Carlos Paz-Soldan, een co-auteur van het papier. "Een soort van adaptieve controle, zoals de technieken die in dit werk zijn gepionierd, zal waarschijnlijk nodig zijn om de stabiliteit van de plasmarand in ITER te reguleren."

Hoewel de internationale faciliteit niet alleen het door PPPL en GA ontwikkelde controlesysteem zal toepassen, het moet zijn eigen methode creëren om met ELM's om te gaan. Inderdaad, "actieve controleschema's zullen een veilige werking met maximale [fusie] winst mogelijk maken in toekomstige apparaten zoals ITER, " zeiden de auteurs. Bovendien, zij voegden toe, implementatie van een dergelijk schema op DIII-D levert het bewijs van het principe en "leidt toekomstige ontwikkeling".