Forskare som försöker fånga och kontrollera jordens fusionsenergi, processen som driver solen och stjärnorna, riskerar störningar - plötsliga händelser som kan stoppa fusionsreaktioner och skada anläggningar som kallas tokamaker som rymmer dem. Forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), och University of Washington har utvecklat en ny prototyp för att snabbt kontrollera störningar innan de kan ta full effekt.

Enheten, kallad en "elektromagnetisk partikelinjektor" (EPI), är en typ av järnvägskanon som skjuter en höghastighetsprojektil från ett par elektrifierade skenor till en plasma på gränsen till störningar. Projektilen, kallas en "sabot, "släpper ut en nyttolast av material i mitten av plasma som utstrålar, eller sprider sig, energin lagrad i plasma, minska dess inverkan på tokamakens inre.

Djupt genomträngande nyttolaster

Denna process kan visa sig snabbare och kan tillåta nyttolast att tränga djupare in i plasma än dagens mest utvecklade tekniker. Nuvarande system släpper ut trycksatt gas eller gasdrivna krossade pellets med hjälp av en gasventil i plasma, men med hastighet begränsad av gaspartiklarnas massa. "Den främsta fördelen med EPI-konceptet framför gasdrivna system är dess potential att möta kortvarningstidsskalor, sa Roger Raman, en fysiker vid University of Washington på långsiktigt uppdrag till PPPL och huvudförfattare till en Kärnfusion papper som beskriver det nya systemet.

Risken för störningar är särskilt stor för ITER, den stora internationella tokamak under uppbyggnad i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft. ITER är tät, högeffektutsläpp av plasma, materiens tillstånd som driver fusionsreaktioner, kommer att göra det svårt för nuvarande gasdrivna metoder för att mildra att tränga tillräckligt djupt in i den mycket energiska ITER-plasma för att få god effekt.

På ITER, lindring önskas på mindre än 20 millisekunder, eller tusentals sekunder, från varningen för en störning, med 10 millisekunder som ideal. Tester av EPI -prototypen visar att den kan leverera en nyttolast av partiklar av rätt storlek på mindre än 10 millisekunder, jämfört med 30 millisekunder för gasdrivna system.

Prototypen, byggd vid University of Washington, harkens tillbaka till ett fusionsreaktorbränslesystem som Raman arbetade med för år sedan. Det systemet injicerade plasmoider, fotbollsformade plasma med egna magnetfält, som injicerades i en fusionsplasma med hög hastighet. Raman anpassade vissa funktioner i systemet så att mycket mer massa kan injiceras i en enklare konfiguration, som skulle krävas för ett långt vänteläge, att utveckla EPI.

Elektriskt ledande skenor

Prototypen rymmer saboten mellan två elektriskt ledande skenor som ligger cirka 2 till 3 centimeter från varandra och är anslutna till en kondensatorbank som håller en elektrisk laddning. Att ladda ur banken producerar elektromagnetiska krafter som påskyndar saboten, möjliggör frisläppande av nyttolast på bara 2 millisekunder. Materialet, bestående av lättmetallgranulat eller pellets, skulle utstråla energin från ett avbrott från mitten av plasma till kanten, sprida ut energin och försvaga dess påverkan på tokamakväggarna.

Vidareutveckling av EPI -systemet har föreslagits att genomföras på PPPL. Planerna kräver konstruktion av andra och tredje generationens prototyper med allt starkare magnetfält under en treårsperiod, följt av distribution på en tokamak under det fjärde året. Resultat hittills, som rapporterats i Kärnfusion , ge en viss tilltro till att ett effektivt EPI -system kan utvecklas för att mildra kraftfulla störningar på ITER.