"Het model verfijnt het denken over het stabiliseren van de rand van het plasma voor verschillende tokamak-vormen", zegt Jason Parisi, stafonderzoeksfysicus bij PPPL. Parisi is de hoofdauteur van drie artikelen die het model beschrijven en die zijn gepubliceerd in de tijdschriften Nuclear Fusion en Natuurkunde van plasma . Het primaire papier concentreert zich op een deel van het plasma dat het voetstuk wordt genoemd en dat zich aan de rand bevindt. Het voetstuk is gevoelig voor instabiliteit omdat de temperatuur en druk van het plasma in dit gebied vaak scherp dalen.

Het nieuwe model is opmerkelijk omdat het het eerste is dat het voetstukgedrag evenaart dat werd waargenomen in het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) National Spherical Torus Experiment (NSTX) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Terwijl conventionele tokamaks de vorm hebben van donuts, is NSTX een van de vele tokamaks die meer de vorm hebben van een appel met klokhuis. Het verschil in tokamak-verhoudingen heeft invloed op het plasma en, zoals het model aangeeft, op het voetstuk.

Balloninstabiliteiten

Parisi onderzocht samen met een team wetenschappers de grenzen van sokkels en onderzocht hoeveel druk er op het plasma in een fusiereactor kon worden uitgeoefend voordat er instabiliteiten ontstonden. In het bijzonder bestudeerden ze verstoringen in het voetstuk die balloninstabiliteiten worden genoemd:uitstulpingen van plasma die naar buiten steken, als het uiteinde van een lange ballon wanneer er in wordt gedrukt.

"Het model is een uitbreiding van een model dat mensen misschien al tien jaar in het veld gebruiken, maar we hebben de berekening van de ballonstabiliteit een stuk geavanceerder gemaakt", aldus Parisi.

Om hun model te ontwikkelen, keken de wetenschappers naar de relatie tussen de afmetingen van voetstukken (hoogte en breedte) en instabiliteiten bij het opzwellen. Parisi zei dat het nieuwe model bij de eerste poging paste. "Ik was verrast door hoe goed het werkt. We hebben geprobeerd het model te doorbreken om er zeker van te zijn dat het accuraat was, maar het paste heel goed bij de gegevens", zei hij.

Het EPED-model uitbreiden

Het was bekend dat het bestaande model, bekend als EPED, werkte voor donutvormige tokamaks, maar niet voor de bolvormige variant. "We besloten het eens te proberen, en door slechts één onderdeel van EPED te veranderen, werkt het nu heel goed", zei Parisi. De resultaten geven onderzoekers ook een duidelijker beeld van het contrast tussen de twee tokamak-ontwerpen.

"Er is zeker een groot verschil tussen de stabiliteitsgrens voor de appelvorm en de standaardvormige tokamak, en ons model kan nu enigszins verklaren waarom dat verschil bestaat," zei hij. De bevindingen kunnen plasmaverstoringen helpen minimaliseren.

Tokamaks zijn ontworpen om de druk en temperatuur van plasma te intensiveren, maar instabiliteiten kunnen deze inspanningen dwarsbomen. Als plasma uitpuilt en bijvoorbeeld de wanden van de reactor raakt, kan het na verloop van tijd de wanden eroderen.

Instabiliteiten kunnen ook energie wegstralen van het plasma. Als we weten hoe steil een voetstuk kan zijn voordat er instabiliteiten optreden, kunnen onderzoekers manieren vinden om plasma's te optimaliseren voor fusiereacties op basis van de verhoudingen van de tokamak.

Hoewel hij eraan toevoegde dat het nog niet duidelijk is welke vorm voordeliger is, suggereert het model andere experimenten die zouden proberen de positieve aspecten van de appelvorm te benutten en te kijken hoeveel voordeel ze zouden kunnen opleveren.

In wezen vergroot het nieuwe model ons begrip van sokkels en brengt het wetenschappers dichter bij het bereiken van het grotere doel:het ontwerpen van een fusiereactor die meer energie genereert dan verbruikt.

Plasmavorm en voetstukafmetingen

Parisi's tweede artikel in de serie onderzoekt hoe goed het EPED-model aansluit bij de hoogte en breedte van het voetstuk voor verschillende plasmavormen.

"Je kernfusiedruk, en dus je kracht, is zo gevoelig voor hoe hoog je voetstuk is. En als we dus verschillende vormen voor toekomstige fusie-apparaten zouden onderzoeken, willen we er zeker van zijn dat onze voorspellingen werken", zei hij. .

Parisi begon met oude gegevens van experimentele ontladingen in NSTX en wijzigde vervolgens de vorm van de rand van het plasma. Hij ontdekte dat het veranderen van de vorm een ​​zeer groot effect had op de breedte-hoogteverhouding van het voetstuk. Bovendien ontdekte Parisi dat sommige vormen tot verschillende mogelijke sokkels zouden kunnen leiden, vooral in tokamaks in de vorm van NSTX en zijn afstammeling, die momenteel wordt geüpgraded, NSTX-U. Dit zou degenen die een fusieschot uitvoeren de keuze geven tussen bijvoorbeeld een steil of ondiep voetstuk.

"Toen mensen met deze voetstukmodellen kwamen, probeerden ze de breedte en hoogte van het voetstuk te voorspellen, omdat dit de hoeveelheid fusie-energie die door veel mensen wordt gegenereerd, kan veranderen, en we willen nauwkeurig zijn", zei Parisi. "Maar de manier waarop modellen momenteel worden geconstrueerd, houdt alleen rekening met de plasmastabiliteit."

Verwarming, tanken en sokkels

Verwarming en brandstof zijn andere belangrijke factoren die Parisi's derde artikel onderzoekt. Concreet keek Parisi naar bepaalde sokkels en bepaalde de hoeveelheid verwarming en brandstof die nodig was om dit te bereiken, gegeven een bepaalde plasmavorm. Een steile sokkel heeft doorgaans veel meer verwarming nodig dan bijvoorbeeld een ondiepe sokkel.

Het artikel gaat ook na hoe een afgeschoven stroming, die optreedt wanneer aangrenzende deeltjes met verschillende stroomsnelheden bewegen, de hoogte en breedte van het voetstuk kan beïnvloeden. Uit eerdere experimenten in NSTX is gebleken dat wanneer een deel van de binnenkant van het vat met lithium werd bedekt en de stromingsschuifkracht sterk was, het voetstuk drie tot vier keer breder werd dan wanneer er geen lithium werd toegevoegd.

"Het lijkt erop dat het voetstuk kan blijven groeien", zegt Parisi. "Als je een plasma zou kunnen hebben in een tokamak die helemaal uit een voetstuk bestaat, en als de hellingen erg steil zouden zijn, zou je een heel hoge kerndruk en een heel hoog fusievermogen krijgen."

Het begrijpen van de variabelen die betrokken zijn bij het verkrijgen van een stabiel plasma met hoog vermogen brengt onderzoekers dichter bij hun uiteindelijke doel:het commercialiseren van fusie-energie.

"Deze drie artikelen zijn erg belangrijk voor het begrijpen van de fysica van bolvormige tokamaks en hoe de plasmadruk zich in deze structuur organiseert, waar deze aan de rand scherp toeneemt en een hoge druk in de kern handhaaft. Als we dat proces niet begrijpen, kunnen we dat wel doen." Ik kan met vertrouwen projecteren op toekomstige apparaten, en dit werk draagt ​​veel bij aan het bereiken van dat vertrouwen", zegt adjunct-directeur onderzoek van NSTX-U en co-auteur van de artikelen Jack Berkery.