De paradox schokte wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) meer dan een dozijn jaar geleden. Hoe meer warmte ze afstraalden naar een bolvormige tokamak, een magnetische faciliteit die is ontworpen om de fusie-energie te reproduceren die de zon en de sterren aandrijft, hoe minder de centrale temperatuur toenam.

Groot mysterie

"Normaal gesproken, hoe meer straalkracht je erin steekt, hoe hoger de temperatuur wordt", zegt Stephen Jardin, hoofd van de theorie en computationele wetenschapsgroep die de berekeningen heeft uitgevoerd, en hoofdauteur van een voorgestelde verklaring gepubliceerd in Physical Review Letters . "Dus dit was een groot mysterie:waarom gebeurt dit?"

Het oplossen van het mysterie zou kunnen bijdragen aan inspanningen over de hele wereld om kernfusie op aarde te creëren en te beheersen om een ​​vrijwel onuitputtelijke bron van veilige, schone en koolstofvrije energie te produceren om elektriciteit op te wekken en tegelijkertijd de klimaatverandering te bestrijden. Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma om enorme hoeveelheden energie vrij te maken.

Door middel van recente computersimulaties met hoge resolutie hebben Jardin en collega's aangetoond waardoor de temperatuur vlak kan blijven of zelfs kan dalen in het centrum van het plasma dat fusiereacties aanwakkert, zelfs als er meer verwarmingsvermogen naar binnen wordt gestraald. Het verhogen van het vermogen verhoogt ook de druk in het plasma tot het punt waarop het plasma onstabiel wordt en de plasmabeweging de temperatuur afvlakt, vonden ze.

"Deze simulaties verklaren waarschijnlijk een experimentele waarneming die meer dan 12 jaar geleden is gedaan," zei Jardin. "De resultaten geven aan dat bij het ontwerpen en uitvoeren van sferische tokamak-experimenten ervoor moet worden gezorgd dat de plasmadruk bepaalde kritische waarden op bepaalde locaties in de [faciliteit] niet overschrijdt," zei hij. "En we hebben nu een manier om deze waarden te kwantificeren door middel van computersimulaties."

De bevindingen benadrukken een belangrijke hindernis die onderzoekers moeten vermijden bij het reproduceren van fusiereacties in bolvormige tokamaks - apparaten die meer op appels met klokhuis lijken dan op meer algemeen gebruikte donutvormige conventionele tokamaks. Sferische apparaten produceren kosteneffectieve magnetische velden en zijn kandidaten om modellen te worden voor een proeffusiecentrale.

De onderzoekers simuleerden eerdere experimenten op het National Spherical Torus Experiment (NSTX), de vlaggenschipfusiefaciliteit bij PPPL die sindsdien is opgewaardeerd, en waar het raadselachtige plasmagedrag was waargenomen. De resultaten kwamen grotendeels overeen met die van de NSTX-experimenten.

"Via NSTX kregen we de gegevens en via een DOE-programma genaamd SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] ontwikkelden we de computercode die we gebruikten," zei Jardin.

Natuurkundige en co-auteur Nate Ferraro van PPPL zei:"Het SciDAC-programma was absoluut essentieel bij het ontwikkelen van de code."

Ontdekt mechanisme

Het ontdekte mechanisme veroorzaakte op bepaalde locaties verhoogde druk om de geneste magnetische oppervlakken te breken die werden gevormd door de magnetische velden die zich rond de tokamak wikkelen om het plasma op te sluiten. Door het uiteenvallen daalde de temperatuur van de elektronen in het plasma en zorgde ervoor dat de temperatuur in het centrum van het hete, geladen gas niet steeg tot fusierelevante niveaus.

"Dus wat we nu denken is dat wanneer je het geïnjecteerde straalvermogen verhoogt, je ook de plasmadruk verhoogt, en je komt op een bepaald punt waar de druk de magnetische oppervlakken nabij het midden van de tokamak begint te vernietigen," zei Jardin, " en daarom stijgt de temperatuur niet meer."

Dit mechanisme kan algemeen zijn in sferische tokamaks, zei hij, en met de mogelijke vernietiging van oppervlakken moet rekening worden gehouden wanneer toekomstige sferische tokamaks worden gepland.

Jardin is van plan het proces verder te onderzoeken om de vernietiging van magnetische oppervlakken beter te begrijpen en waarom het waarschijnlijker lijkt in sferische dan conventionele tokamaks. Hij is ook uitgenodigd om zijn bevindingen te presenteren op de jaarlijkse bijeenkomst van de American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) in oktober, waar vroege wetenschappers kunnen worden gerekruteerd om de kwestie op te pakken en de details van de voorgesteld mechanisme. + Verder verkennen

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