Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben het gebruik van magnetische velden verfijnd om de prestaties van donutvormige fusiefaciliteiten, bekend als tokamaks, te verbeteren. De verbeterde techniek beschermt interne onderdelen tegen schade door instabiliteiten die "edge-localized modes" (ELM's) worden genoemd en zorgt ervoor dat tokamaks langer kunnen werken zonder te pauzeren.

"Ons belangrijkste resultaat is dat we hebben aangetoond dat onze techniek ELM's kan onderdrukken en tegelijkertijd de plasmaprestaties kan maximaliseren", zegt Ricardo Shousha, een afgestudeerde student in de plasmacontrolegroep van de afdeling Mechanische en Luchtvaart- en Ruimtevaarttechniek van Princeton University die is aangesloten bij PPPL. Shousha is de hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in Physics of Plasmas .

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de 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 onderzoekers gebruikten de Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-faciliteit om de omstandigheden te bestuderen waaronder het centrum van plasma bijzonder heet en dicht wordt. Deze gewenste toestand, bekend als H-modus, kan optreden wanneer er een scherpe scheiding is tussen het midden en de koudere rand; wetenschappers willen dat het plasma zich in de H-modus bevindt omdat het efficiëntere fusiereacties produceert. Maar omdat de temperatuur en dichtheid van de twee regio's zo drastisch verschillen, vormen zich ELM-instabiliteiten langs de grens, net zoals onweersbuien kunnen ontstaan ​​waar warme en koude fronten elkaar ontmoeten. Die instabiliteiten kunnen spurts veroorzaken die lijken op zonnevlammen, gigantische uitbarstingen van plasma die van het oppervlak van de zon losbarsten.

Wanneer deze gebeurtenissen plaatsvinden in tokamaks, kunnen ze de binnenwanden en componenten beschadigen, waardoor de machine moet worden uitgeschakeld voor reparaties. Het risico is zelfs nog groter voor ITER, de multinationale tokamak die in Cadarache, Frankrijk wordt gebouwd om de haalbaarheid van fusie als grootschalige en koolstofvrije energiebron te bewijzen, aangezien dat apparaat plasma zal creëren dat veel meer warmte en kracht heeft dan huidige tokamak-plasma's doen dat wel.

Natuurkundigen hebben dus een dilemma. Ze willen dat het plasma zich in de H-modus bevindt, maar de H-modus leidt tot instabiliteiten die de tokamak kunnen beschadigen. Shousha en de andere onderzoekers richtten zich op het gebruik van magnetische velden om de instabiliteiten te onderdrukken, een methode die in 2003 werd ontdekt. ​​De toegepaste velden verminderen instabiliteiten door deeltjes door de grens te laten stromen. Maar een bijwerking is dat het plasma afkoelt en de fusiereacties minder efficiënt worden.

Het onderzoeksteam heeft dit probleem aangepakt door magneten te combineren met een feedbacksysteem. De combinatie bepaalt het zwakste magnetische veld dat de ELM's kan onderdrukken, terwijl de mate van degradatie van de velden in de H-modus wordt geminimaliseerd. "Dat is het nieuwe deel van ons onderzoek," zei Shousha.

De resultaten kwamen van de toewijding van de afgestudeerde studenten in combinatie met een internationaal netwerk van onderzoekers en instellingen. "Deel uitmaken van PPPL en Princeton University is een geweldige kans voor afgestudeerde studenten", zegt Egemen Kolemen, universitair hoofddocent aan de afdeling werktuigbouwkunde en ruimtevaarttechniek van Princeton University, die een gezamenlijke afspraak heeft met PPPL en co-auteur van het artikel is. "Ze kunnen overal ter wereld experimenten uitvoeren - de Verenigde Staten, China, Duitsland, Zuid-Korea - en ze hebben de kans om deze krachtige machines te besturen. En ze doen het heel goed. Zolang ze de wil hebben, hebben wij de weg ."

De wetenschappers zijn van plan hun systeem te verfijnen, zodat het signalen kan detecteren die de komst van de ELM's aankondigen, zodat de magneten ze kunnen voorkomen voordat ze zich voordoen. "Het idee is dat als we deze precursorsignalen snel kunnen detecteren, we actie kunnen ondernemen voordat de dreigende ELM verschijnt en deze mogelijk kunnen voorkomen", zei Shousha. + Verder verkennen

Kruisbestuivende fysici gebruiken nieuwe technieken om het ontwerp van faciliteiten die gericht zijn op het oogsten van fusie-energie te verbeteren