In de Japanse kunst van Kintsugi neemt een kunstenaar de gebroken scherven van een kom en smelt ze weer samen met goud om een ​​eindproduct te maken dat mooier is dan het origineel.

Dat idee inspireert tot een nieuwe benadering van het beheer van plasma, de superhete toestand van de materie, voor gebruik als energiebron. Wetenschappers gebruiken de onvolkomenheden in magnetische velden die een reactie beperken om het plasma te verbeteren en te versterken in een aanpak die wordt beschreven in een artikel in het tijdschrift Nature Communications .

"Deze aanpak maakt het mogelijk een hoogwaardig plasma te behouden, waarbij tegelijkertijd de instabiliteiten in de kern en de rand van het plasma worden beheerst. Die gelijktijdige controle is bijzonder belangrijk en moeilijk uit te voeren. Dat maakt dit werk speciaal", zegt Joseph Snipes van de Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE). Hij is PPPL's ​​plaatsvervangend hoofd van de Tokamak Experimental Science Department en was co-auteur van het artikel.

PPPL-natuurkundige Seong-Moo Yang leidde het onderzoeksteam, dat verschillende instellingen in de VS en Zuid-Korea omvat. Yang zegt dat dit de eerste keer is dat een onderzoeksteam een ​​systematische aanpak heeft gevalideerd voor het aanpassen van onvolkomenheden in het magnetische veld om het plasma geschikt te maken voor gebruik als energiebron. Deze onvolkomenheden in het magnetische veld staan ​​bekend als foutvelden.

"Onze nieuwe methode identificeert optimale foutveldcorrecties, waardoor de plasmastabiliteit wordt verbeterd," zei Yang. "Het is bewezen dat deze methode de plasmastabiliteit onder verschillende plasmaomstandigheden verbetert, bijvoorbeeld wanneer het plasma zich onder omstandigheden van hoge en lage magnetische opsluiting bevond."

Fouten die moeilijk te corrigeren zijn

Foutvelden worden doorgaans veroorzaakt door minuscule defecten in de magnetische spoelen van het apparaat dat het plasma vasthoudt, een zogenaamde tokamak. Tot nu toe werden foutvelden alleen als hinderlijk ervaren omdat zelfs een heel klein foutveld een plasmaverstoring kon veroorzaken die fusiereacties stopzet en de wanden van een fusievat kan beschadigen. Als gevolg hiervan hebben fusieonderzoekers veel tijd en moeite gestoken in het minutieus vinden van manieren om foutvelden te corrigeren.

"Het is vrij moeilijk om bestaande foutvelden te elimineren, dus in plaats van deze onregelmatigheden in de spoel op te lossen, kunnen we extra magnetische velden rondom het fusievat toepassen in een proces dat bekend staat als foutveldcorrectie", aldus Yang.

In het verleden zou deze aanpak ook de kern van het plasma hebben beschadigd, waardoor het plasma ongeschikt werd voor de opwekking van fusie-energie. Deze keer konden de onderzoekers instabiliteiten aan de rand van het plasma elimineren en de stabiliteit van de kern behouden. Het onderzoek is een goed voorbeeld van hoe PPPL-onderzoekers de kloof overbruggen tussen de huidige fusietechnologie en wat nodig zal zijn om fusie-energie op het elektriciteitsnet te brengen.

"Dit is eigenlijk een zeer effectieve manier om de symmetrie van het systeem te doorbreken, zodat mensen opzettelijk de opsluiting kunnen verslechteren. Het is alsof je een heel klein gaatje in een ballon maakt, zodat deze niet zal ontploffen", zegt SangKyeun Kim, een stafonderzoeker. bij PPPL en co-auteur van papier. Net zoals lucht uit een klein gaatje in een ballon lekt, lekt er een kleine hoeveelheid plasma uit het foutveld, wat helpt de algehele stabiliteit te behouden.

Het gelijktijdig beheren van de kern en de rand van het plasma

Een van de moeilijkste onderdelen van het beheer van een fusiereactie is ervoor zorgen dat zowel de kern als de rand van het plasma zich tegelijkertijd gedragen. Er zijn ideale zones voor de temperatuur en dichtheid van het plasma in beide regio's en het bereiken van die doelen terwijl het elimineren van instabiliteiten moeilijk is.

Deze studie toont aan dat het aanpassen van de foutvelden tegelijkertijd zowel de kern als de rand van het plasma kan stabiliseren. Door de magnetische velden die door de spoelen van de tokamak worden geproduceerd zorgvuldig te controleren, konden de onderzoekers randinstabiliteiten onderdrukken, ook wel bekend als randgelokaliseerde modi (ELM's), zonder verstoringen of een substantieel verlies van opsluiting te veroorzaken.

"We proberen het apparaat te beschermen", zegt Qiming Hu, stafonderzoeksfysicus van de PPPL, auteur van het artikel.

Het onderzoek uitbreiden tot buiten KSTAR

Het onderzoek werd uitgevoerd met behulp van de KSTAR-tokamak in Zuid-Korea, die opvalt door zijn vermogen om de configuratie van het magnetische foutveld met grote flexibiliteit aan te passen. Deze mogelijkheid is cruciaal voor het experimenteren met verschillende foutveldconfiguraties om de meest effectieve te vinden voor het stabiliseren van het plasma.

De onderzoekers zeggen dat hun aanpak aanzienlijke gevolgen heeft voor het ontwerp van toekomstige tokamak-fusieproeffabrieken, waardoor ze mogelijk efficiënter en betrouwbaarder worden. Ze werken momenteel aan een kunstmatige intelligentie (AI)-versie van hun besturingssysteem om het efficiënter te maken.

"Deze modellen zijn behoorlijk complex; het kost wat tijd om ze te berekenen. Maar als je iets wilt doen in een realtime besturingssysteem, kun je je maar een paar milliseconden veroorloven om een ​​berekening uit te voeren", zegt Snipes. "Met behulp van AI kun je het systeem feitelijk leren wat het kan verwachten en kun je die kunstmatige intelligentie gebruiken om van tevoren te voorspellen wat er nodig zal zijn om het plasma te controleren en hoe je dit in realtime kunt implementeren."

Hoewel hun nieuwe artikel het werk belicht dat is gedaan met behulp van de interne magnetische spoelen van KSTAR, suggereert Hu dat toekomstig onderzoek met magnetische spoelen buiten het fusievat waardevol zou zijn omdat de fusiegemeenschap afstapt van het idee om dergelijke spoelen in het vacuümdichte vat te huisvesten vanwege de de potentiële vernietiging van dergelijke componenten door de extreme hitte van het plasma.

Meer informatie: SeongMoo Yang et al, Tokamak-foutvelden aanpassen om plasma-instabiliteiten en transport te beheersen, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45454-1

Journaalinformatie: Natuurcommunicatie

Geleverd door Princeton Plasma Physics Laboratory