Stellarators, kronkelige magnetische apparaten die erop gericht zijn om op aarde de fusie-energie te benutten die de zon en de sterren aandrijft, hebben lang de tweede viool gespeeld voor meer algemeen gebruikte donutvormige faciliteiten die bekend staan ​​​​als tokamaks. De complexe gedraaide stellaratormagneten waren moeilijk te ontwerpen en hebben eerder een grotere lekkage van de superhoge hitte van fusiereacties mogelijk gemaakt.

Nu wetenschappers van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica (IPP), in samenwerking met onderzoekers, waaronder het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), hebben aangetoond dat het Wendelstein 7-X (W7-X) apparaat in Greifswald, Duitsland, de grootste en meest geavanceerde stellarator ter wereld, is in staat warmte op te sluiten die een temperatuur bereikt die twee keer zo hoog is als de kern van de zon.

Sleutelindicator

Een diagnostisch instrument genaamd de XICS, voornamelijk ontworpen, gebouwd en geëxploiteerd door PPPL-natuurkundige Novimir Pablant in samenwerking met IPP-natuurkundige Andreas Langenberg, is een belangrijke indicator van een sterke vermindering van een type warmteverlies dat 'neoklassiek transport' wordt genoemd en dat in het verleden groter was in klassieke stellarators dan in tokamaks. Het lastige transport wordt veroorzaakt door frequente botsingen die verwarmde deeltjes uit hun banen slaan terwijl ze rond de magnetische veldlijnen wervelen die hen opsluiten. Bijdragen aan het transport zijn driften in de deeltjesbanen.

Een recent rapport over W7-X-bevindingen in Natuur magazine bevestigt het succes van de inspanningen van ontwerpers om de ingewikkeld gedraaide stellaratormagneten vorm te geven om neoklassiek transport te verminderen. De eerste auteur van het artikel was natuurkundige Craig Beidler van de IPP Theory Division. "Het is echt opwindend nieuws voor fusie dat dit ontwerp succesvol is geweest, " zei Pablant, een co-auteur samen met Langenberg van het papier. "Het laat duidelijk zien dat dit soort optimalisatie mogelijk is."

David Gates, hoofd van de afdeling Advanced Projects bij PPPL die toezicht houdt op het stellaratorwerk van het laboratorium, was ook zeer enthousiast. "Het was heel spannend voor ons, bij PPPL en alle andere Amerikaanse samenwerkende instellingen, om deel uit te maken van dit echt opwindende experiment, Gates zei. "Novi's werk stond centraal in de inspanningen van dit geweldige experimentele team. Ik ben onze Duitse collega's erg dankbaar dat ze onze deelname zo genadig mogelijk hebben gemaakt."

Koolstofvrij vermogen

De fusie die wetenschappers proberen te produceren, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, dat maakt 99 procent uit van het zichtbare universum - om enorme hoeveelheden energie te genereren. Het produceren van gecontroleerde kernfusie op aarde zou een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige, schoon, en koolstofvrije energiebron om elektriciteit voor de mensheid op te wekken en een belangrijke bijdrage te leveren aan de overgang van fossiele brandstoffen.

Stellarators, voor het eerst gebouwd in de jaren 1950 onder PPPL-oprichter Lyman Spitzer, kan in een stabiele toestand werken met weinig risico op de plasmaverstoringen waarmee tokamaks worden geconfronteerd. Echter, hun complexiteit en geschiedenis van relatief slechte warmte-opsluiting heeft hen tegengehouden. Een belangrijk doel van het geoptimaliseerde ontwerp van W7-X, die in 2015 zijn eerste plasma produceerde is geweest om de geschiktheid aan te tonen van een geoptimaliseerde stellarator als een uiteindelijke fusie-energiecentrale.

Resultaten verkregen door de XICS tonen hete ionentemperaturen aan die niet bereikt hadden kunnen worden zonder een sterke vermindering van neoklassiek transport. Deze metingen zijn ook gedaan door de CXRS-diagnose die is gebouwd en beheerd door IPP, waarvan werd gedacht dat ze iets nauwkeuriger waren, maar niet onder alle omstandigheden konden worden gemaakt. De uiteindelijke temperatuurprofielen in de Natuur rapport werden overgenomen van CXRS en ondersteund door metingen met XICS in vergelijkbare plasma's.

'Extreem waardevol'

"Zonder de XICS zouden we dit [goede opsluiting]-regime waarschijnlijk niet hebben ontdekt, " zei Robert Wolf, hoofd van de afdeling verwarming en bediening van de W7-X en co-auteur van het artikel. "We hadden een direct beschikbare ionentemperatuurmeting nodig en dit was buitengewoon waardevol."

Onderzoekers voerden een gedachte-experiment uit om de rol te controleren die optimalisatie speelde in de opsluitingsresultaten. Het experiment wees uit dat in een niet-geoptimaliseerde stellarator groot neoklassiek transport de hoge temperaturen geregistreerd op W7-X voor het gegeven verwarmingsvermogen onmogelijk zou hebben gemaakt. "Dit toonde aan dat de geoptimaliseerde vorm van W7-X het neoklassieke transport verminderde en noodzakelijk was voor de prestaties die werden gezien in W7-X-experimenten, " zei Pablant. "Het was een manier om te laten zien hoe belangrijk de optimalisatie was."

De resultaten markeren een stap in de richting van stellarators op basis van het W7-X-ontwerp om te leiden tot een praktische fusiereactor, hij voegde toe. "Maar het verminderen van neoklassiek transport is niet het enige dat je moet doen. Er zijn nog een heleboel andere doelen die getoond moeten worden, inclusief stabiel draaien en het verminderen van het turbulente transport." Het produceren van turbulent transport zijn rimpelingen en wervelingen die door het plasma lopen als de tweede belangrijkste bron van warmteverlies.

De W7-X zal in 2022 heropend worden na een driejarige upgrade om een ​​waterkoelingssysteem te installeren dat fusie-experimenten zal verlengen en een verbeterde divertor die hoogwaardige warmte zal afvoeren. De upgrades zullen de volgende stap in het onderzoek door W7-X-onderzoekers naar de waardigheid van geoptimaliseerde stellarators mogelijk maken om blauwdrukken voor energiecentrales te worden.