ELM's komen voor in de plasmarand en kunnen de nabijgelegen reactorwand beschadigen. Een kenmerk dat van invloed kan zijn op ELM's is de vorm van de dwarsdoorsnede van het plasma.

Onderzoekers gebruiken de term plasmadriehoek om te beschrijven hoeveel de plasmavorm afwijkt van een ovale vorm. De meeste bestudeerde plasma's hebben een positieve driehoekigheid, wat betekent dat ze een D-vormige dwarsdoorsnede hebben met het verticale gedeelte van de "D" nabij de middenstijl van de tokamak.

In recent onderzoek bestudeerden wetenschappers negatieve driehoekigheid, de omgekeerde vorm met het verticale deel nabij de buitenmuur. Het is bekend dat plasma's met negatieve driehoekigheid enige zelfregulatie van gradiënten vertonen. Door uitgebreide analyse van gegevens van het DIII-D National Fusion Facility-programma toonden de onderzoekers aan dat deze vormgeving inherent vrij was van instabiliteit onder verschillende plasmaomstandigheden. Het werk is gepubliceerd in het tijdschrift Physical Review Letters .

Dit onderzoek toonde aan dat plasma's met negatieve driehoekigheid vrij zijn van potentieel schadelijke instabiliteiten in het randgebied van het plasma zonder dat dit ten koste gaat van de fusieprestaties. Dit suggereert dat negatieve driehoeksvorming de instabiliteiten in de plasmarand stabiliseert.

Tegelijkertijd bereikt het de hoge kernprestaties en randomstandigheden die nodig zijn om de brandende plasmaomstandigheden te bereiken die toekomstige fusiecentrales nodig zullen hebben. Dit resultaat suggereert dat het vormgeven van een negatieve driehoekigheid een ideale benadering zou kunnen zijn voor het ontwerp van fusie-energiecentrales.

Experimenten uitgevoerd met de DIII-D National Fusion Facility tokamak onderzochten het gebruik van negatieve driehoeksvorming om de ontwikkeling van zeer onstabiele en energetische ELM's te beperken. Het werk maakte deel uit van een grotere samenwerking op het gebied van negatieve driehoekigheid, waarbij vrijwel alle instellingen betrokken waren die zich in de Verenigde Staten bezighielden met kernfusieonderzoek.

Hoewel ELM's gebruikelijk zijn onder de hoogwaardige plasmaomstandigheden die relevant zijn voor fusie-energiecentrales, bleek uit het onderzoek dat negatieve driehoeksvorming de ontwikkeling van temperatuur- en drukgradiënten beperkt die kunnen uitgroeien tot ELM's in de plasmarand.

Met name plasma's met een sterke negatieve driehoekigheid (minder dan -0,15) vertoonden geen enkele instabiliteit, zelfs niet bij het hoge verwarmingsvermogen en de kernprestaties die doorgaans ELM's veroorzaken. Een diepgaande analyse van een uitgebreide DIII-D-dataset die een reeks omstandigheden vertegenwoordigt, waaronder de hoge kernprestaties en randcompatibiliteit die nodig zijn voor fusiereactoren, toonde dit ELM-vrije karakter consistent aan.

Dit werk werd mogelijk gemaakt door de uitgebreide, hifi-diagnostiek van de DIII-D-tokamak, en verbeteringen in de modellering hielpen de conclusies te ondersteunen die een verbeterde stabiliteit onder het uitgebreide scala van omstandigheden aantoonden.

Bovendien was deze inherente stabiliteit robuuster dan de ELM-onderdrukking die werd bereikt met andere benaderingen, zoals resonante magnetische verstoringen om ELM's te onderdrukken of werking in een ELM-vrij regime. Negatieve driehoeksvorming heeft dus het potentieel om de hoogenergetische, schadelijke plasma-instabiliteiten te beperken die momenteel een grote uitdaging vormen bij het ontwerp van fusie-energiecentrales. Dit geeft aan dat de negatieve driehoeksbenadering verder onderzoek rechtvaardigt voor toepassing bij het ontwerp van fusiecentrales.

Meer informatie: A. O. Nelson et al., Robuust vermijden van randgelokaliseerde modi naast gradiëntformatie in de negatieve driehoekigheid Tokamak Edge, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.195101. Op arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.13458

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven , arXiv

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie