Wetenschap
Plasmafusie:net genoeg brandstof aan het vuur toevoegen
Hoeveel brandstof kunnen we aan het vuur toevoegen terwijl we toch de controle behouden? Metaforisch gesproken is dat de vraag die een team van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse ministerie van Energie zichzelf de laatste tijd heeft gesteld.
Nu denken ze dat ze het antwoord hebben voor één bepaald scenario. Het maakt allemaal deel uit van het werk van het Lab om energie uit fusie naar het elektriciteitsnet te brengen.
Voortbouwend op recente bevindingen die de belofte aantonen van het bedekken van het binnenoppervlak van het vat dat een fusieplasma bevat met vloeibaar lithium, hebben de onderzoekers de maximale dichtheid van ongeladen of neutrale deeltjes aan de rand van een plasma bepaald voordat de rand van het plasma afkoelt en bepaalde instabiliteiten worden onvoorspelbaar.
Het kennen van de maximale dichtheid voor neutrale deeltjes aan de rand van een fusieplasma is belangrijk omdat het de onderzoekers een idee geeft van hoe en hoeveel de fusiereactie moet worden aangewakkerd.
Het onderzoek, dat wordt beschreven in een nieuw artikel in Nuclear Fusion omvat observaties, numerieke simulaties en analyses van hun experimenten in een fusieplasmavat genaamd het Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).
De unieke omgeving van LTX-β
LTX-β is een van de vele fusievaten over de hele wereld die plasma in de vorm van een donut vasthouden met behulp van magnetische velden. Dergelijke schepen staan bekend als tokamaks. Wat deze tokamak bijzonder maakt, is dat de binnenwanden vrijwel volledig met lithium kunnen worden gecoat. Dit verandert het gedrag van de wand fundamenteel, omdat het lithium een zeer hoog percentage van de waterstofatomen vasthoudt die uit het plasma komen.
Zonder lithium zou veel meer waterstof van de wanden weerkaatsen en terug in het plasma terechtkomen. Begin 2024 meldde het onderzoeksteam dat deze lage recyclingomgeving voor waterstof de uiterste rand van het plasma warm houdt, waardoor het plasma stabieler wordt en ruimte ontstaat voor een groter plasmavolume.
"We proberen aan te tonen dat een lithiummuur een kleinere fusiereactor mogelijk kan maken, wat zich zal vertalen in een hogere vermogensdichtheid", zegt Richard Majeski, hoofdonderzoeksfysicus bij PPPL en hoofd van LTX-β. Uiteindelijk zou dit onderzoek zich kunnen vertalen in de kosteneffectieve fusie-energiebron die de wereld nodig heeft.
Nu heeft het LTX-β-team aanvullende bevindingen gepubliceerd die de relatie aantonen tussen de brandstof voor het plasma en de stabiliteit ervan. Concreet vonden de onderzoekers de maximale dichtheid van neutrale deeltjes aan de rand van plasma in LTX-β voordat de rand begint af te koelen, wat mogelijk tot stabiliteitsproblemen kan leiden.
De onderzoekers denken dat ze de kans op bepaalde instabiliteiten kunnen verkleinen door de dichtheid aan de rand van het plasma onder het nieuw gedefinieerde niveau van 1 x 10 19 te houden. m –3 . Dit is de eerste keer dat een dergelijk niveau is vastgesteld voor LTX-β, en wetende dat dit een grote stap is in hun missie om te bewijzen dat lithium de ideale keuze is voor een binnenwandcoating in een tokamak, omdat het hen naar de beste praktijken leidt. voor het voeden van hun plasma's.
In LTX-β wordt de fusie op twee manieren gevoed:met behulp van waterstofgaswolken vanaf de rand en een straal neutrale deeltjes. Onderzoekers zijn bezig met het verfijnen van de manier waarop ze beide methoden naast elkaar kunnen gebruiken om een optimaal plasma te creëren dat fusie lange tijd zal volhouden in toekomstige fusiereactoren en tegelijkertijd voldoende energie zal genereren om het praktisch te maken voor het elektriciteitsnet.
Verfijningsmethoden voor het behouden van een gelijkmatige temperatuur over het plasma
Natuurkundigen vergelijken vaak de temperatuur aan de rand met de kerntemperatuur om te beoordelen hoe gemakkelijk dit te beheren zal zijn. Ze zetten deze getallen in een grafiek en houden rekening met de helling van de lijn. Als de temperatuur bij de binnenkern en de buitenrand bijna hetzelfde zijn, is de lijn bijna vlak, dus noemen ze dat een vlak temperatuurprofiel. Als de temperatuur aan de buitenrand aanzienlijk lager is dan de temperatuur aan de binnenkern, noemen wetenschappers dit een piektemperatuurprofiel.
“Het team bepaalde de maximale dichtheid van neutrale deeltjes voorbij de rand van een plasma die nog steeds een vlak temperatuurprofiel mogelijk maakt. Als je verder gaat dan dat aantal neutrale deeltjes aan de rand, zal de randtemperatuur zeker dalen, en kom je terecht in een piektemperatuurprofiel", zegt Santanu Banerjee, stafonderzoeksfysicus bij PPPL en hoofdauteur van het nieuwe artikel.
"Diezelfde neutrale dichtheid is de drempel voor instabiliteiten die bekend staan als tearing-modi. Buiten deze dichtheid hebben de tearing-modi de neiging gedestabiliseerd te raken, bedreigingen voor het plasma te veroorzaken en de fusiereactie te stoppen als ze niet onder controle worden gehouden."
Als de instabiliteiten te groot worden, eindigt de fusiereactie. Om het elektriciteitsnet te ondersteunen, zoeken onderzoekers naar de beste manieren om een fusieplasma zo te beheren dat de reactie stabiel is.
Banerjee en Majeski werkten samen met verschillende andere onderzoekers aan het artikel, waaronder Dennis Boyle van PPPL, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta en Ron Bell.
Het werk aan het project gaat door. PPPL-ingenieur Dylan Corl optimaliseert de richting waarin de neutrale straal, die wordt gebruikt om het plasma te verwarmen, in de tokamak wordt geïnjecteerd. "We creëren er feitelijk een nieuwe haven voor", zei Corl. Hij gebruikt een 3D-model van de LTX-β en test verschillende straaltrajecten om er zeker van te zijn dat de straal geen ander deel van de apparatuur raakt, zoals gereedschappen die worden gebruikt om het plasma te meten. "Het vinden van de beste invalshoek was een uitdaging, maar ik geloof dat we die nu hebben", zei Corl.