Het proces dat is ontworpen om op aarde de fusie-energie te oogsten die de zon en de sterren aandrijft, kan soms worden misleid. Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics-laboratorium van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een beetje "quasi-symmetrie" afgeleid en aangetoond dat de ontwikkeling van fusie-energie als een veilige, schone en vrijwel onbeperkte krachtbron voor het opwekken van elektriciteit.

Fusiereacties combineren 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. Wetenschappers over de hele wereld proberen het proces te reproduceren in donutvormige fusie-installaties, tokamaks genaamd, die het plasma verwarmen tot een temperatuur van miljoenen graden en het opsluiten in symmetrische magnetische velden die worden geproduceerd door spoelen om fusiereacties te creëren.

Cruciaal probleem

Een cruciaal punt voor deze inspanningen is het handhaven van de snelle rotatie van het donutvormige plasma dat in een tokamak wervelt. Echter, kleine magnetische veldvervormingen, of rimpelingen, veroorzaakt door verkeerde uitlijning van de magnetische veldspoelen, kan de plasmabeweging vertragen, waardoor het onstabieler wordt. De verkeerde uitlijning van de spoel en de resulterende veldrimpelingen zijn klein, zo klein als 1 deel op 10, 000 delen van het veld, maar ze kunnen een grote impact hebben.

Het handhaven van stabiliteit in toekomstige tokamaks zoals ITER, de internationale faciliteit die in Frankrijk wordt gebouwd om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen, essentieel zal zijn voor het oogsten van de energie om elektriciteit op te wekken. Een manier om de impact van de veldrimpelingen te minimaliseren, is door extra magneten toe te voegen om te neutraliseren, of genezen, het effect van magnetische veldfouten. Echter, veldrimpelingen kunnen nooit volledig worden opgeheven en er is tot nu toe geen optimale methode geweest om hun effecten te verminderen.

De nieuw ontdekte methode vereist dat de wervelende plasmadeeltjes voor de gek worden gehouden door de magnetische veldfouten langs het pad dat ze afleggen op te heffen. "Een manier om rotatie te behouden en tegelijkertijd stabiliteit te bieden, is door de vorm van het magnetische veld te veranderen, zodat de deeltjes voor de gek worden gehouden door te denken dat ze niet in een gegolfd magnetisch veld bewegen, " zei PPPL-natuurkundige Jong-Kyu Park, hoofdauteur van een paper in Fysieke beoordelingsbrieven (PRL) die een oplossing voorstelt. "We moeten het 3D-veld in het plasma quasi-symmetrisch maken om de deeltjes voor de gek te houden alsof ze niet door de velden worden beïnvloed, ' zei Park.

Quasi-symmetrie

Quasi-symmetrie, een vorm van magnetische veldsymmetrie geïntroduceerd door natuurkundigen die kronkelige magnetische opsluitingssystemen bestuderen die stellarators worden genoemd, kan worden gebruikt om de negatieve effecten van 3D-velden in tokamaks te minimaliseren. Een dergelijke minimalisering kan zowel de energieopsluiting als de stabiliteit van het plasma verbeteren door de roterende stroom ervan te verbeteren.

"Als je deze 3D-velden kunt aanpassen om de neiging van de deeltjes om weg te drijven van waar ze begonnen, te verminderen, dan kunnen we de natuurlijke plasmarotatie en de opsluiting van deeltjes en warmte behouden, " zei PPPL-natuurkundige Raffi Nazikian, een co-auteur van het artikel.

Park en collega's hebben het gebruik van quasi-symmetrie aangetoond om de foutveldrimpelingen in tokamaks grotendeels onschadelijk te maken. Tests op de DIII-D National Fusion Facility bij General Atomics (GA) in San Diego en de Korean Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-faciliteit in Zuid-Korea hebben positieve resultaten opgeleverd. Het proces "biedt een betrouwbaar pad van uitgebreide foutveldoptimalisatie in fusiebrandende plasma's, "volgens de krant.

Hoewel dergelijke optimalisaties van vitaal belang zijn, wetenschappers gebruiken meestal magnetische veldrimpelingen om andere problemen het hoofd te bieden. Bijvoorbeeld, op DIII-D, onderzoekers hebben speciale spoelen gebruikt om edge localized modes (ELM's) te verminderen of te elimineren - explosieve uitbarstingen van hitte die het interieur van tokamaks kunnen beschadigen.

Belangrijke voorbeelden

Dergelijke gevallen zijn het belangrijkste voorbeeld van het goede gebruik van rimpelingen en de nieuwe bevindingen markeren een doorbraak in het omgaan met de slechte. "Jong-Kyu heeft de algoritmen genomen om de lastige driedimensionale magnetische velden van de tokamak naar een nieuw niveau te tillen, " zei Carlos Paz-Soldan, co-auteur van het artikel als een DIII-D-fysicus en nu een universitair hoofddocent aan de Columbia University. "Dit kader zal zeker de basis zijn waarop toekomstige controlestrategieën voor deze velden worden ontwikkeld, ' zei Paz-Soldan.

Wetenschappers streven ook actief naar het concept van quasi-symmetrie om het ontwerp van stellaratorfusiefaciliteiten die intrinsiek werken met 3D-velden te optimaliseren. Het concept is succesvol gebleken bij het minimaliseren van het verlies van warmte en deeltjes in stellarators, een al lang bestaand probleem met de cruller-vormige faciliteiten die een reeks complexe gedraaide spoelen gebruiken die als strepen op een snoepriet spiraalvormig zijn om magnetische velden te produceren.

Het werk van de stellarator illustreert de brede toepasbaarheid van quasi-symmetrie in fusieonderzoek. De volgende stap, zei Park, zal zijn om het concept toe te passen op ITER, "zodat we goed werk kunnen doen om de foutvelden in die tokamak te corrigeren."