Onderzoek naar een mogelijk kritiek probleem met kronkelige magnetische stellarators, veelbelovende kandidaten om als model te dienen voor een Amerikaanse fusieproeffabriek, heeft de potentiële impact van een grotendeels over het hoofd gezien probleem verduidelijkt.

De bevinding bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) laat zien hoe periodieke veranderingen in de sterkte en vorm van de magnetische velden van stellaratoren, onder bepaalde theoretische omstandigheden, het snelle verlies van opsluiting van hoogenergetische plasmadeeltjes kunnen vergemakkelijken die fusiereacties voeden.

Hoge energie

"Als je kernfusie wilt doen, moet je veel energie hebben", zegt PPPL senior natuurkundige Roscoe White, hoofdauteur van een Physics of Plasmas papier dat redacteuren hebben geselecteerd als een 'scilight' of wetenschappelijk hoogtepunt.

Zijn paper identificeert een nieuw type energetisch deeltjesverlies, zei Felix Parra Diaz, hoofd van de Theorie-afdeling bij PPPL. "Studies hebben zich tot nu toe gericht op het beheersen van andere soorten energetische verliezen die dominant zijn, en we proberen nu energetische deeltjesverliezen nog meer te verminderen", zei Parra Diaz. "Het document waarop deze bevindingen zijn gebaseerd, identificeert een mechanisme dat we moeten opnemen bij het ontwerpen van de optimale vorm van stellaratormagneetvelden.

"Hoewel dit mechanisme is opgenomen in onze meer gedetailleerde analyses van stellaratorconfiguraties en vele andere effecten, was het niet uitgekozen als een probleem dat moest worden aangepakt. We kunnen geen gedetailleerde analyse gebruiken voor stellaratoroptimalisatie vanwege de rekenkosten. Dit is de reden waarom Roscoe's paper is belangrijk:het identificeert het probleem en stelt een efficiënte manier voor om de stellaratorvorm te evalueren en te optimaliseren om het te vermijden. Dit geeft ons de mogelijkheid om stellaratorconfiguraties te ontwikkelen die zelfs beter zijn dan de bestaande."

De mechanismen die dit probleem veroorzaken, zijn zogenaamde "resonanties", die de paden beschrijven die deeltjes volgen terwijl ze rond de magnetische velden draaien die rond de machine draaien. Wanneer deeltjes resoneren, keren ze herhaaldelijk terug naar het punt waar ze begonnen. Dergelijke terugkeer maakt instabiliteiten of modi in het hete, geladen plasmagas mogelijk om zogenaamde eilanden in het pad van banen te creëren, waardoor de deeltjes en hun energie aan de opsluiting kunnen ontsnappen.

White gebruikte een snelle softwarecode om te zoeken naar instabiliteiten die "Alfven-modi" worden genoemd en die eilanden kunnen creëren in donutvormige tokamaks, die meer algemeen gebruikte experimentele fusiefaciliteiten zijn. "Dus ik dacht:oké, ik ga ook naar stellarators kijken," zei hij. En in stellarators "is er iets heel anders aan de hand", ontdekte hij.

Modi niet nodig

"Het blijkt dat je in een stellarator geen modi nodig hebt," zei White. "In stellarators, wanneer het aantal periodieke veranderingen in de baan van resonerende hoogenergetische deeltjes overeenkomt met het aantal periodieke veranderingen in het magnetische veld, kunnen deeltjesverliezen optreden," zei hij. "Het is alsof je een kind op een schommel duwt. Als je wilt dat het kind hoger en hoger zwaait, elke keer dat de schommel bij je terugkomt, duw je het opnieuw, en dat is een duw in resonantie," zei hij.

Voor White:"Het probleem tot nu toe is dat mensen zich hebben gefocust op de vorm van het magnetische veld. Maar hoogenergetische deeltjes drijven over het veld, dus je moet ook rekening houden met de banen van de deeltjes."

In de toekomst, zei hij, "om te zien of deeltjesresonanties in stellarators overeenkomen met de magnetische veldperiode, moeten ontwerpvoorwaarden worden ingevoerd om een ​​goede reactor te vinden." + Verder verkennen

Onderzoekers ontwerpen eenvoudiger magneten voor bochtige faciliteiten die kunnen leiden tot stabiele fusie-operatie