Wetenschap
Een terugkeer naar de roots:Lab bouwt zijn eerste stellarator in 50 jaar en opent de deur voor onderzoek naar nieuwe plasmafysica
Voor het eerst hebben wetenschappers een fusie-experiment gebouwd met behulp van permanente magneten, een techniek die een eenvoudige manier zou kunnen tonen om toekomstige apparaten tegen minder kosten te bouwen en onderzoekers in staat zou stellen nieuwe concepten voor toekomstige fusie-energiecentrales te testen.
Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben tientallen jaren aan expertise op het gebied van techniek, berekeningen en theoretische natuurkunde gecombineerd om een nieuw type stellarator te ontwerpen:een kronkelige machine die plasma opsluit, de elektrisch geladen vierde toestand van materie. , om het fusieproces te benutten dat de zon en de sterren aandrijft en mogelijk schone elektriciteit opwekt.
"Het gebruik van permanente magneten is een compleet nieuwe manier om stellarators te ontwerpen", zegt Tony Qian, een afgestudeerde student aan het Princeton-programma in Plasma Physics, dat is gebaseerd op PPPL. Qian was de hoofdauteur van artikelen gepubliceerd in het Journal of Plasma Physics en Kernfusie waarin de theorie en techniek achter het apparaat, bekend als MUSE, gedetailleerd worden beschreven. "Deze techniek stelt ons in staat om snel nieuwe ideeën voor plasma-opsluiting te testen en eenvoudig nieuwe apparaten te bouwen."
Stellarators vertrouwen doorgaans op ingewikkelde elektromagneten met complexe vormen en creëren hun magnetische velden door de stroom van elektriciteit. Deze elektromagneten moeten nauwkeurig worden gebouwd met zeer weinig ruimte voor fouten, waardoor de kosten stijgen.
Permanente magneten hebben echter, net als de magneten die kunst aan koelkastdeuren bevestigen, geen elektrische stroom nodig om hun velden te creëren. Ze kunnen ook kant-en-klaar bij industriële leveranciers worden besteld en vervolgens worden ingebed in een 3D-geprint omhulsel rond het vacuümvat van het apparaat, dat het plasma bevat.
"MUSE is grotendeels gebouwd met in de handel verkrijgbare onderdelen", zegt Michael Zarnstorff, senior onderzoeksfysicus bij PPPL en hoofdonderzoeker van het project. "Door samen te werken met 3D-printbedrijven en magneetleveranciers kunnen we rondkijken en de precisie kopen die we nodig hebben in plaats van deze zelf te maken."
Het oorspronkelijke inzicht dat permanente magneten de basis zouden kunnen vormen voor een nieuwe, meer betaalbare stellaratorvariant kwam in 2014 naar Zarnstorff. "Ik besefte dat zelfs als ze zich naast andere magneten bevonden, permanente magneten van zeldzame aardmetalen de noodzakelijke magnetische velden konden opwekken en in stand konden houden. om het plasma op te sluiten zodat fusiereacties kunnen optreden,' zei Zarnstorff, 'en dat is de eigenschap die ervoor zorgt dat deze techniek werkt.'
Een al lang bestaand technisch probleem oplossen
Stellaratoren, meer dan 70 jaar geleden uitgevonden door PPPL-oprichter Lyman Spitzer, zijn slechts één concept voor fusiefaciliteiten. Een andere is de donutvormige of appelvormige tokamak met klokhuis, zoals PPPL's National Spherical Torus Experiment-Upgrade, die plasma opsluit met behulp van relatief eenvoudige magneten. Decennia lang is dit het favoriete ontwerp geweest van wetenschappers over de hele wereld vanwege de goede manier waarop de apparaten plasma vasthouden.
Tokamaks zijn echter ook afhankelijk van magnetische velden die worden gecreëerd door elektrische stromen die door het midden van het plasma lopen, waardoor instabiliteiten ontstaan die de fusiereacties verstoren. Stellarators kunnen echter zonder dergelijke stromingen werken en kunnen daarom voor onbepaalde tijd actief zijn. Maar hun ingewikkelde magneten, die moeilijk te ontwerpen en te bouwen zijn, hebben er jarenlang voor gezorgd dat stellarators geen economische of praktische opties waren voor fusiecentrales.
Daarom is het succes van MUSE bij het aantonen dat stellarators kunnen werken met behulp van eenvoudige magneten zo belangrijk. "Typische stellaratormagneten zijn erg moeilijk te bewerken omdat je dat heel precies moet doen", zegt Amelia Chambliss, een afgestudeerde student aan de afdeling Toegepaste Natuurkunde en Toegepaste Wiskunde van Columbia University, die hielp bij het ontwerpen van MUSE tijdens een DOE Science Undergraduate Laboratory Internship bij PPPL a paar jaar geleden. "Dus het idee dat we in plaats daarvan veel discrete magneten kunnen gebruiken om de klus te klaren, is heel spannend. Het is een veel eenvoudiger technisch probleem."
Het realiseren van een theoretische eigenschap
Behalve dat het een technische doorbraak is, vertoont MUSE ook een theoretische eigenschap die bekend staat als quasisymmetrie, in hogere mate dan welke andere stellarator dan ook. Het is ook het eerste apparaat ter wereld dat specifiek is ontworpen om een soort quasisymmetrie te hebben die bekend staat als quasiaxisymmetrie.
Quasisymmetrie, bedacht door natuurkundige Allen Boozer van PPPL in het begin van de jaren tachtig, betekent dat, hoewel de vorm van het magnetische veld in de stellarator misschien niet hetzelfde is rond de fysieke vorm van de stellarator, de sterkte van het magnetische veld rond het apparaat uniform is, wat leidt tot goede plasma-opsluiting en grotere waarschijnlijkheid dat fusiereacties zullen optreden. "In feite is de quasisymmetrie-optimalisatie van MUSE minstens 100 keer beter dan die van welke bestaande stellarator dan ook", aldus Zarnstorff.
"Het feit dat we deze stellarator hebben kunnen ontwerpen en bouwen is een echte prestatie", aldus Qian.
In de toekomst is het PPPL-team van plan een reeks experimenten uit te voeren om de exacte aard van de quasisymmetrie van MUSE te bepalen en zo uit te zoeken hoe goed het apparaat voorkomt dat hete deeltjes van de kern van het plasma naar de rand bewegen, waardoor fusiereacties moeilijker worden. . De methoden omvatten onder meer het nauwkeuriger in kaart brengen van de magnetische velden en het meten van hoe het draaiende plasma vertraagt, wat afhangt van de quasisymmetrie van het apparaat.
MUSE demonstreert het soort innovatie dat mogelijk is in een Amerikaans nationaal laboratorium. "Voor mij is het belangrijkste aan MUSE dat het een creatieve manier is om een moeilijk probleem op te lossen", aldus Chambliss. "Het maakt gebruik van veel ruimdenkende en innovatieve benaderingen om al lang bestaande stellarator-problemen op te lossen. Zolang de gemeenschap op deze flexibele manier blijft denken, zullen we in goede vorm zijn."