Wetenschappers hebben een nieuwe manier gevonden om te voorkomen dat vervelende magnetische bellen in plasma fusiereacties verstoren, wat een potentiële manier biedt om de prestaties van fusie-energie-apparaten te verbeteren. En het komt van het beheren van radiofrequentie (RF) golven om de magnetische bellen te stabiliseren, die kunnen uitbreiden en verstoringen kunnen veroorzaken die de prestaties van ITER kunnen beperken, de internationale faciliteit in aanbouw in Frankrijk om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen.

Magnetische eilanden

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben het nieuwe model ontwikkeld voor het beheersen van deze magnetische bellen, of eilanden. De nieuwe methode wijzigt de standaardtechniek van het gestaag afzetten van radiostralen (RF) in het plasma om de eilanden te stabiliseren - een techniek die inefficiënt blijkt te zijn wanneer de breedte van een eiland klein is in vergelijking met de karakteristieke grootte van het gebied waarover de RF-straal wordt afgezet zijn kracht.

Dit gebied geeft de "dempingslengte, " het gebied waarover het RF-vermogen normaal gesproken zou worden afgezet bij afwezigheid van niet-lineaire feedback. De effectiviteit van het RF-vermogen kan aanzienlijk worden verminderd wanneer de grootte van het gebied groter is dan de breedte van het eiland - een toestand die "laag" wordt genoemd. -demping" - zoveel van de stroom lekt dan van het eiland.

Tokamaks, donutvormige fusiefaciliteiten die dergelijke problemen kunnen ondervinden, zijn de meest gebruikte apparaten door wetenschappers over de hele wereld die fusiereacties willen produceren en beheersen om een ​​vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie te bieden om elektriciteit op te wekken. Dergelijke reacties combineren lichte elementen in de vorm van plasma - de toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken - om de enorme hoeveelheden energie te genereren die de zon en de sterren aandrijven.

Het probleem overwinnen

Het nieuwe model voorspelt dat het deponeren van de stralen in pulsen in plaats van stationaire stromen het lekkageprobleem kan oplossen, zei Suying Jin, een afgestudeerde student in het Princeton-programma in plasmafysica op basis van PPPL en hoofdauteur van een paper dat de methode beschrijft in Fysica van plasma's . "Pulsen kan ook een verhoogde stabilisatie bereiken in gevallen met hoge demping voor hetzelfde gemiddelde vermogen, " ze zei.

Om dit proces te laten werken, "het pulseren moet worden gedaan met een snelheid die niet te snel of te langzaam is, "zei ze. "Deze goede plek zou in overeenstemming moeten zijn met de snelheid waarmee warmte door diffusie van het eiland verdwijnt."

Het nieuwe model is gebaseerd op eerder werk van Jin's co-auteurs en adviseurs Allan Reiman, een Distinguished Research Fellow bij PPPL, en professor Nat Fisch, directeur van het Program in Plasma Physics aan de Princeton University en associate director voor academische zaken bij PPPL. Hun onderzoek biedt het niet-lineaire kader voor de studie van RF-vermogensdepositie om magnetische eilanden te stabiliseren.

"De betekenis van het werk van Suying, " zei Reeman, "is dat het de instrumenten aanzienlijk uitbreidt die kunnen worden ingezet voor wat nu wordt erkend als misschien wel het belangrijkste probleem van economische fusie met behulp van de tokamak-benadering. Tokamaks worden geplaagd door deze natuurlijk ontstaande en onstabiele eilanden, die leiden tot rampzalig en plotseling verlies van het plasma."

Fisch toegevoegd:"Suyings werk suggereert niet alleen nieuwe controlemethodologieën; haar identificatie van deze nieuw voorspelde effecten kan ons ertoe dwingen eerdere experimentele bevindingen waarin deze effecten mogelijk een niet gewaardeerde rol hebben gespeeld opnieuw te evalueren. Haar werk motiveert nu specifieke experimenten die opheldering zouden kunnen verschaffen de mechanismen die in het spel zijn en precies aangeven hoe deze rampzalige instabiliteiten het beste kunnen worden beheerst."

Origineel model

Het originele model van RF-depositie toonde aan dat het de temperatuur verhoogt en de stroom in het midden van een eiland aandrijft om te voorkomen dat het groeit. Niet-lineaire feedback treedt dan in werking tussen de vermogensdepositie en veranderingen in de temperatuur van het eiland, wat een sterk verbeterde stabilisatie mogelijk maakt. Deze temperatuurveranderingen beheersen de diffusie van warmte uit het plasma aan de rand van het eiland.

Echter, in regimes met hoge demping, waar de dempingslengte kleiner is dan de grootte van het eiland, ditzelfde niet-lineaire effect kan een probleem veroorzaken dat "schaduwvorming" wordt genoemd tijdens stationaire afzetting en dat ervoor zorgt dat de RF-straal zonder stroom komt te zitten voordat deze het midden van het eiland bereikt.

"We hebben eerst gekeken naar gepulseerde RF-schema's om het schaduwprobleem op te lossen, "Zei Jin. "Echter, het bleek dat in regimes met hoge demping niet-lineaire feedback pulsen veroorzaakt om schaduwen te verergeren, en de straal raakt nog sneller leeg. Dus hebben we het probleem omgedraaid en ontdekt dat het niet-lineaire effect pulsen kan veroorzaken om de stroom die uit het eiland lekt te verminderen in scenario's met weinig demping."

Deze voorspelde trends lenen zich natuurlijk voor experimentele verificatie, zei Jin. "Dergelijke experimenten, " merkte ze op, "zou willen aantonen dat pulseren de temperatuur van een eiland verhoogt totdat optimale plasmastabilisatie is bereikt."