Natuurkundigen zijn als bijen:ze kunnen kruisbestuiven, ideeën uit het ene gebied halen en deze gebruiken om doorbraken op andere gebieden te ontwikkelen. Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een techniek van het ene domein van de plasmafysica naar het andere overgebracht om het efficiëntere ontwerp van krachtige magneten mogelijk te maken voor donutvormige fusiefaciliteiten die bekend staan ​​als tokamaks. Dergelijke magneten beperken en controleren plasma, de vierde toestand van materie die 99 procent van het zichtbare universum uitmaakt en fusiereacties voedt.

Het ontwerpen van deze magneten is niet eenvoudig, vooral wanneer ze precies moeten worden gevormd om complexe, driedimensionale magnetische velden om plasma-instabiliteiten te beheersen. Het is dus passend dat de nieuwe techniek afkomstig is van wetenschappers die stellarators ontwerpen, cruller-vormige fusie-apparaten die zulke zorgvuldig geconstrueerde magneten vereisen. Met andere woorden, de PPPL-wetenschappers gebruiken een stellarator-computercode om zich de vorm en sterkte voor te stellen van gedraaide tokamak-magneten die tokamak-plasma's kunnen stabiliseren en de extreme omstandigheden kunnen overleven die in een fusiereactor worden verwacht.

Dit inzicht zou de bouw van tokamak-fusiefaciliteiten kunnen vergemakkelijken die de kracht van de zon en de sterren naar de aarde brengen. "Vroeger, het was een ontdekkingsreis, " zei Nik Logan, een fysicus bij het Lawrence Livermore National Laboratory van de DOE die het onderzoek leidde terwijl hij bij PPPL was. "Je moest iets bouwen, test het , en gebruik de gegevens om te leren hoe je het volgende experiment moet ontwerpen. Nu kunnen we deze nieuwe rekentools gebruiken om deze magneten gemakkelijker te ontwerpen, met behulp van principes die zijn verkregen uit jarenlang wetenschappelijk onderzoek." De resultaten zijn gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Kernfusie .

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 enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

De bevindingen kunnen de constructie van tokamaks helpen door te compenseren voor onnauwkeurigheid die optreedt wanneer een machine wordt vertaald van een theoretisch ontwerp naar een echt object, of door nauwkeurig gecontroleerde 3D-magnetische velden toe te passen om plasma-instabiliteiten te onderdrukken. "De realiteit van het bouwen van iets is dat het niet perfect is, ' zei Logan. 'Er zitten kleine onregelmatigheden in. De magneten die we met deze stellaratortechniek ontwerpen, kunnen zowel enkele van de onregelmatigheden in de magnetische velden corrigeren als instabiliteiten beheersen." Dit helpt het magnetische veld het plasma te stabiliseren, zodat potentieel schadelijke uitbarstingen van warmte en deeltjes niet optreden.

Logan en collega's ontdekten ook dat deze magneten op het plasma konden inwerken, zelfs als ze op een relatief grote afstand tot enkele meters van de wanden van de tokamak werden geplaatst. "Dat is goed nieuws, want hoe dichter de magneten bij het plasma zijn, hoe moeilijker het is om ze te ontwerpen om te voldoen aan de barre omstandigheden in de buurt van fusiereactoren, "zei Logan. "Hoe meer apparatuur we op afstand van de tokamak kunnen plaatsen, des te beter."

De techniek is gebaseerd op FOCUS, een computercode die voornamelijk is gemaakt door PPPL-natuurkundige Caoxiang Zhu, een wetenschapper op het gebied van stellaratoroptimalisatie, ingewikkelde magneten ontwerpen voor stellaratorfaciliteiten. "Toen ik FOCUS voor het eerst opbouwde als postdoctoraal onderzoeker bij PPPL, Nik Logan stopte bij mijn posterpresentatie op een American Physical Society-conferentie, "Zei Zhu. "Later hadden we een gesprek en realiseerden we ons dat er een mogelijkheid was om de FOCUS-code toe te passen op tokamak-projecten."

De samenwerking tussen verschillende deelgebieden is spannend. "Ik ben blij om te zien dat mijn code kan worden uitgebreid naar een breder scala aan experimenten, " merkte Zhu op. "Ik denk dat dit een mooie verbinding is tussen de tokamak- en stellaratorwerelden."

Hoewel lang de nummer twee fusiefaciliteit achter tokamaks, stellarators worden nu steeds meer gebruikt omdat ze de neiging hebben om stabiele plasma's te creëren. Tokamaks zijn momenteel de eerste keuze voor een fusiereactorontwerp, maar hun plasma's kunnen instabiliteiten ontwikkelen die de interne componenten van een reactor kunnen beschadigen.

momenteel, PPPL-onderzoekers gebruiken deze nieuwe techniek om magneten te ontwerpen en bij te werken voor verschillende tokamaks over de hele wereld. Het rooster omvat COMPASS-U, een tokamak beheerd door de Tsjechische Academie van Wetenschappen; en de Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-faciliteit.

"Het is een heel praktisch document met praktische toepassingen, en ja hoor we hebben een aantal afnemers, "Zei Logan. "Ik denk dat de resultaten nuttig zullen zijn voor de toekomst van tokamak-ontwerp."