Wetenschappers die de fusie-energie die de zon en de sterren aandrijft naar de aarde willen brengen, gebruiken radiofrequentiegolven (RF) - dezelfde golven die radio en televisie in huizen brengen - om de stroom in het plasma te verhitten en aan te drijven die fusiereacties aanwakkert. Wetenschappers hebben nu een manier ontwikkeld om de golven te meten die kunnen worden gebruikt om voorspellingen van hun impact te valideren, de weg vrijmaken voor verbeterde toekomstige experimenten die zouden kunnen resulteren in het brengen van energie van fusie naar de aarde.

Potentiële doorbraak

De mogelijke doorbraak, geleid door onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), zou kunnen leiden tot vervolgexperimenten op de National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U), het vlaggenschip-fusie-experiment bij PPPL dat wordt gerepareerd, evenals andere fusiefaciliteiten over de hele wereld. "Als onze methode blijkt te werken, zou het een zeer nuttig hulpmiddel zijn voor veel fusiereactoren, " zei Grant Rutherford, een eerstejaars afgestudeerde student aan het Massachusetts Institute of Technology (MIT) en hoofdauteur van een paper in de Beoordeling van wetenschappelijke instrumenten dat hij schreef als een Brown University DOE Science Undergraduate Laboratory Intern (SULI) bij PPPL.

De sleutel tot het voorspellen van de impact van RF-golven is het meten van de fluctuaties, of schommels, ze creëren in de dichtheid van fusieplasma's. "Als we die fluctuaties eenmaal hebben, zouden we achteruit kunnen werken om te zien wat die RF-velden waren die de fluctuaties veroorzaakten, ' zei Rutherford.

Echter, de hoge frequentie van RF-golven zorgt ervoor dat de schommelingen te snel optreden om te meten. Dus de onderzoekers creëerden een "slaggolf" door twee golven op verschillende frequenties te lanceren, een techniek die meetbare schommelingen opleverde. "Als we in staat waren om zowel een beatgolffluctuatie te creëren als te meten, we zouden een nieuwe tool hebben voor het valideren van voorspellingen voor RF-verwarming en stroomaandrijving, ' legde Rutherford uit.

Dergelijke metingen zouden verstrekkende voordelen hebben. Bijvoorbeeld, ze zouden de studie van de prestaties van RF-golfactuatoren kunnen vergemakkelijken, zei PPPL-natuurkundige Nicola Bertelli, een co-auteur van het artikel, en kan validatie mogelijk maken van RF-berekeningstools die door de hele fusiegemeenschap zijn ontwikkeld. Bovendien, zei David Smit, een natuurkundige van de Universiteit van Wisconsin en co-auteur van het artikel, "Onze berekeningen geven een eerste beoordeling van de techniek en motiveren vervolgexperimenten op NSTX-U."

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. Het reproduceren en beheersen van dit proces op aarde zou een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie creëren om elektriciteit op te wekken. Fusie zou een belangrijke bijdrage kunnen leveren aan de Amerikaanse overgang van fossiele brandstoffen naar een koolstofarme bron van elektrische opwekking.

De techniek testen

Rutherford en co-auteurs testten hun techniek door een synthetische versie van een 2D-bundelemissiespectroscopie (BES)-diagnose te maken om gesimuleerde RF-injecties in het plasma te evalueren. Hun doel was het begrijpen en verbeteren van het vermogen om de RF-veldgolven te meten die de schommelingen veroorzaken.

Vooruit gaan, "We hopen dat door ons meetvermogen te vergroten, we zullen ons vermogen vergroten om verwarmings- en huidige aandrijfprocessen te begrijpen, maar dat laten we aan toekomstig werk over, "Zei Rutherford. Dergelijk werk zou ook kunnen aantonen of de BES-diagnose waarop de wetenschappers hun model baseerden, de dichtheidsschommelingen in werkelijke fusieplasma's zou kunnen meten, of dat een andere diagnose het cruciale werk beter zou doen.