Wetenschappers hebben de opmerkelijke impact ontdekt van het omkeren van een standaardmethode voor het bestrijden van een belangrijk obstakel voor de productie van fusie-energie op aarde. Theoretici van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben voorgesteld om precies het tegenovergestelde van de voorgeschreven procedure te doen om toekomstige resultaten sterk te verbeteren.

Scheurgaten in plasma

Het probleem, 'vergrendelde scheurmodi' genoemd, doet zich voor in alle hedendaagse tokamaks, donutvormige magnetische faciliteiten die zijn ontworpen om de vrijwel onbeperkte fusiekracht te creëren en te beheersen die de zon en de sterren aandrijft. De door instabiliteit veroorzaakte modi roteren met het hete, geladen plasma - de vierde toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen die fusiereacties voeden - en traangaten die eilanden worden genoemd in het magnetische veld dat het gas opsluit, waardoor de belangrijkste warmte kan lekken .

Deze eilanden worden groter wanneer de modi stoppen met draaien en op hun plaats klikken, een groeisnelheid die het warmteverlies verhoogt, de plasmaprestaties vermindert en verstoringen kan veroorzaken waardoor de energie die in het plasma is opgeslagen de binnenwanden van de tokamak kan raken en beschadigen. Om dergelijke risico's te vermijden, stralen onderzoekers nu microgolven in het plasma om de modi te stabiliseren voordat ze kunnen vergrendelen.

De PPPL-bevindingen suggereren echter sterk dat onderzoekers de modi in grote tokamaks van de volgende generatie stabiliseren nadat ze zijn vergrendeld. In de hedendaagse tokamaks "vergrendelen deze modi sneller dan mensen hadden gedacht en wordt het veel moeilijker om ze te stabiliseren terwijl ze nog draaien", zegt Richard Nies, een doctoraalstudent in het Princeton-programma in Plasma Physics en hoofdauteur van een Kernfusie paper met de verrassende bevindingen.

Een ander nadeel, voegde hij eraan toe, is dat "deze microgolven hun breedte vergroten door het plasma te breken, waardoor de stabilisatie van de modus terwijl deze vandaag de dag nog ronddraait nog minder efficiënt is, en dit probleem is de laatste jaren verergerd."

Bij deze problemen hoort het feit dat in grote toekomstige tokamaks zoals ITER, de internationale faciliteit in aanbouw in het zuiden van Frankrijk, "het plasma zo groot is dat de rotatie veel langzamer is en deze modi vrij snel vergrendelen als ze nog vrij klein zijn ’, zegt Nies. "Het zal dus veel efficiënter zijn om het stabilisatiepakket in grote toekomstige tokamaks om te schakelen en ze eerst te laten vergrendelen en vervolgens te stabiliseren."

Die omkering zou het fusieproces kunnen vergemakkelijken, dat wetenschappers over de hele wereld proberen te reproduceren. Het proces combineert lichte elementen in de vorm van plasma om enorme hoeveelheden energie vrij te maken. "Dit biedt een andere manier om naar dingen te kijken en zou een veel effectievere manier kunnen zijn om het probleem aan te pakken", zegt Allan Reiman, een vooraanstaande onderzoeksmedewerker en co-auteur van het artikel. "Mensen zouden de mogelijkheid om de eilanden te laten sluiten serieuzer moeten nemen", zei Reiman.

Bijna storend

Het is onwaarschijnlijk dat de aanbevolen techniek werkt in de huidige tokamaks, omdat de tearing-modus-eilanden zo snel groeien en zo groot zijn wanneer ze in deze faciliteiten worden vergrendeld, dat het plasma bijna ontwricht raakt als het eenmaal is vergrendeld. Daarom moeten onderzoekers nu grote hoeveelheden stroom gebruiken om de modi te stabiliseren ten koste van het beperken van de fusie-output. Daarentegen laat de langzame groei van eilanden in tokamaks van de volgende generatie "een lange weg te gaan voordat je een verstoring krijgt, dus er is veel tijd om de modus te stabiliseren", zei Nies.

Zodra de modi in de toekomst zijn vergrendeld, kunnen microgolven ze direct richten in plaats van ze alleen te stabiliseren als ze in de huidige faciliteiten langs de microgolfstraal draaien. "Deze theoretische berekeningen tonen de efficiëntie aan van wat we voorstellen," merkte Nies op.

Wat nu nodig is, zijn experimenten om de voorgestelde handelwijze te testen, zei hij. "We zouden ITER niet willen inschakelen en dan pas ontdekken welke strategie werkt. Er is een reële kans om de fysica te verkennen die we in de huidige apparaten aanpakken." + Verder verkennen

State-of-the-art computercode zou de inspanningen om fusie-energie te benutten kunnen bevorderen