Om de kracht van de zon naar de aarde te brengen, is een goede theorie nodig, goede techniek, en een beetje finesse. Het proces omvat het vangen van geladen, ultraheet gas dat bekend staat als plasma, zodat de deeltjes ervan kunnen samensmelten en enorme hoeveelheden energie kunnen vrijgeven. De meest gebruikte faciliteiten voor dit proces zijn donutvormige tokamaks die plasma op zijn plaats houden met sterke magneten die nauwkeurig zijn gevormd en gepositioneerd. Maar fouten in de vormgeving of plaatsing van deze magneten kunnen leiden tot slechte opsluiting en verlies van plasma, het afsluiten van fusiereacties.

Nutsvoorzieningen, een internationale groep onderzoekers onder leiding van natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) heeft een techniek ontwikkeld die voorspelt hoe tokamaks kunnen reageren op deze ongewenste magnetische fouten. Deze voorspellingen kunnen ingenieurs helpen bij het ontwerpen van fusiefaciliteiten die op efficiënte wijze een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone fusie-energie creëren om elektriciteit op te wekken.

Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - en genereert enorme hoeveelheden energie in de sterren. Wetenschappers streven ernaar dit proces op aarde te reproduceren en te beheersen.

Het team formuleerde een regel die bekend staat als een schaalwet die helpt om de eigenschappen van toekomstige tokamaks af te leiden uit huidige apparaten. De wet is grotendeels afgeleid van drie jaar experimenten op de DIII-D National Fusion Facility die General Atomics exploiteert voor de DOE in San Diego. Onderzoekers maakten ook gebruik van een database met foutveldeffecten die wordt onderhouden door ITER's International Tokamak Physics Activity-groep, die fusieonderzoek over de hele wereld coördineert.

Nu zijn gegevens van extra apparaten met verschillende groottes nodig om het vertrouwen te vergroten in het extrapoleren van de schaalwet om te voorspellen hoe groot foutvelden kunnen zijn voordat ze in ITER worden verstoord, de multinationale tokamak die in Frankrijk wordt gebouwd om de levensvatbaarheid van fusie-energie aan te tonen.

Vorming van foutvelden

Onregelmatigheden in de vormgeving of plaatsing van de magneten van een tokamak kunnen foutvelden produceren die een verstoring in het plasma veroorzaken, waardoor het plotseling uit de magnetische velden ontsnapt en veel energie vrijgeeft. "De vraag is hoe groot een foutenveld ITER kan verdragen zonder te verstoren, " zei Nikolas Logan, PPPL-fysicus en hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in Kernfusie . "We willen verstoringen in ITER voorkomen omdat ze zowel fusiereacties kunnen verstoren als de muren kunnen beschadigen."

Aangezien ITER in aanbouw is, de onderzoekers gebruikten een mash-up van twee computercodes om de effecten van foutvelden op plasma's voor tokamaks in Zuid-Korea te modelleren, China, het Verenigd Koninkrijk, en andere landen, het versterken van de fouten totdat de plasma's verstoorden. De onderzoekers hoopten patronen te vinden waarmee ze een eenvoudige regel konden formuleren die zou helpen bij het maken van vermoedens over toekomstige verstoringen van het foutenveld in tokamaks die worden gebouwd.

De gecombineerde codes modelleerden het plasma nauwkeuriger dan elke afzonderlijke code op zichzelf zou kunnen doen. De TM1-code, ontwikkeld door het Duitse Max Planck Instituut voor Plasmafysica, lost vergelijkingen op die chaotisch plasmagedrag in cilindervormen modelleren, terwijl de Ideal Perturbed Equilibrium Code (IPEC) -code is ontwikkeld bij PPPL, modelleert plasma in een tokamak-vorm. "Door deze codes te combineren, we waren in staat om een ​​breed scala aan omstandigheden te simuleren die zich in verschillende apparaten kunnen voordoen, inclusief ITER, " zei PPPL-natuurkundige Qiming Hu, een van de auteurs van de krant. "Het is belangrijk om nauwkeurige voorspellingen voor ITER te krijgen, omdat geen enkele huidige machine zo groot is."

"Dit werk breidt onze kennis uit van de effecten van foutvelden in fusie-apparaten, " zei Raffi Nazikian, hoofd van de afdeling ITER en Tokamak bij PPPL. "De combinatie van numerieke en experimentele analyse biedt een overtuigende basis voor het beoordelen van het belang van foutvelden in ITER en toekomstige reactoren."

Volgende stappen

Logan en Hu hopen meer informatie te verzamelen uit tokamak-experimenten om de schaalwet nauwkeuriger te maken, waardoor het plasmaprestaties kan voorspellen in zowel de kern- als de randgebieden van het plasma. "Dit is geen alarmbelpapier, "zei Logan. "Het helpt natuurkundigen en ingenieurs gewoon om te weten hoe zorgvuldig ze mogelijke foutvelden moeten overwegen voordat ze veel kracht in ITER stoppen."

Medewerkers waren onder meer onderzoekers van General Atomics, het Instituut voor Plasmafysica van de Tsjechische Academie van Wetenschappen, het Instituut voor Plasmafysica van de Chinese Academie van Wetenschappen, Korea's Ulsan Nationaal Instituut voor Wetenschap en Technologie, het Culham Center of Fusion Energy in het Verenigd Koninkrijk, Italiaanse Consorzio RFX, Het Duitse Max Planck Instituut voor Plasmafysica, en het Plasma Science and Fusion Center van het Massachusetts Institute of Technology.