Stel je een vliegtuig voor dat na het opstijgen slechts één of twee hoogten kan bereiken. Die beperking zou vergelijkbaar zijn met de benarde situatie waarin wetenschappers zich bevinden die instabiliteiten willen vermijden die de weg naar schone, veilige en overvloedige fusie-energie in donutvormige tokamak-faciliteiten. Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en General Atomics (GA) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nu een baanbrekende verklaring gepubliceerd van deze tokamak-beperking en hoe deze kan worden overwonnen.

ringkern, of donutvormig, tokamaks zijn gevoelig voor intense uitbarstingen van hitte en deeltjes, edge gelokaliseerde modi (ELM's) genoemd. Deze ELM's kunnen de reactorwanden beschadigen en moeten worden gecontroleerd om betrouwbare fusie-energie te ontwikkelen. Gelukkig, wetenschappers hebben geleerd deze ELM's te temmen door spiraalvormige gegolfde magnetische velden toe te passen op het oppervlak van het plasma dat fusiereacties voedt. Echter, het temmen van ELM's vereist zeer specifieke omstandigheden die de operationele flexibiliteit van tokamak-reactoren beperken.

ELM-onderdrukking

Nutsvoorzieningen, onderzoekers van PPPL en GA hebben een model ontwikkeld dat, Voor de eerste keer, reproduceert nauwkeurig de voorwaarden voor ELM-onderdrukking in de DIII-D National Fusion Facility die GA voor DOE exploiteert. Het model voorspelt de omstandigheden waaronder ELM-onderdrukking zich zou moeten uitstrekken over een groter bereik van bedrijfsomstandigheden in de tokamak dan eerder voor mogelijk werd gehouden. Het werk presenteert belangrijke voorspellingen voor het optimaliseren van de effectiviteit van ELM-onderdrukking in ITER, het enorme internationale fusie-apparaat in aanbouw in het zuiden van Frankrijk om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen 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. Tokamaks zijn de meest gebruikte apparaten door wetenschappers die fusie willen repliceren als een hernieuwbare, koolstofvrije bron van vrijwel onbeperkte energie voor het opwekken van elektriciteit.

PPPL-fysici Qiming Hu en Raffi Nazikian zijn de hoofdauteurs van een paper waarin het model wordt beschreven in Fysieke beoordelingsbrieven . Ze merken op dat onder normale omstandigheden het gegolfde magnetische veld ELM's alleen kan onderdrukken voor zeer nauwkeurige waarden van de plasmastroom die de magnetische velden produceert die het plasma opsluiten. Dit creëert een probleem omdat tokamak-reactoren over een breed scala aan plasmastromen moeten werken om de omstandigheden te onderzoeken en te optimaliseren die nodig zijn om fusie-energie op te wekken.

Magnetische rimpelingen wijzigen

De auteurs laten zien hoe, door de structuur van de spiraalvormige magnetische rimpelingen die op het plasma worden aangebracht te wijzigen, ELM's moeten worden geëlimineerd over een groter bereik van plasmastroom met verbeterde generatie van fusievermogen. Hu zei dat hij gelooft dat de bevindingen ITER de brede operationele flexibiliteit kunnen bieden die het nodig heeft om de bruikbaarheid van fusie-energie aan te tonen. "Dit model kan belangrijke implicaties hebben voor het onderdrukken van ELM's in ITER, " hij zei.

Inderdaad, "Wat we hebben gedaan, is nauwkeurig voorspellen wanneer we ELM-onderdrukking kunnen bereiken over grotere bereiken van de plasmastroom, " zei Nazikian, die toezicht houdt op PPPL-onderzoek naar tokamaks. "Door te proberen enkele vreemde resultaten te begrijpen die we op DIII-D zagen, we hebben de belangrijkste fysica ontdekt die het bereik van ELM-onderdrukking regelt dat kan worden bereikt met behulp van deze spiraalvormige gegolfde magnetische velden. We gingen toen terug en bedachten een methode die bredere operationele vensters van ELM-onderdrukking zou kunnen produceren, meer routinematig in DIII-D en ITER."

Verbeterde tokamak-werking

De bevindingen openen de deur naar een verbeterde tokamak-operatie. "Dit werk beschrijft een pad om de operationele ruimte uit te breiden voor het beheersen van randinstabiliteit in tokamaks door de structuur van de rimpelingen aan te passen, " zei Carlos Paz-Soldan, een GA-wetenschapper en een co-auteur van het artikel. "We kijken ernaar uit om deze voorspellingen te testen met onze verbeterde veldspoelen die over een paar jaar gepland zijn voor DIII-D."

Terugkomend op de vliegtuiganalogie, "Als je maar op één of twee verschillende hoogtes zou kunnen vliegen, reizen zou zeer beperkt zijn, " zei PPPL-natuurkundige Brian Grierson, een co-auteur van het artikel. "Het oplossen van de beperking zou het vliegtuig in staat stellen over een breed scala aan hoogten te vliegen om zijn vliegroute te optimaliseren en zijn missie te vervullen." Op dezelfde manier, het huidige document beschrijft een benadering waarvan wordt voorspeld dat deze de mogelijkheden van fusiereactoren zal vergroten om vrij te werken van ELM's die de faciliteiten kunnen beschadigen en de ontwikkeling van tokamaks voor fusie-energie kunnen belemmeren.