Alla ansträngningar för att replikera i tokamakfusionsanläggningar fusionsenergin som driver solen och stjärnorna måste klara av ett konstant problem - övergående värmesprängningar som kan stoppa fusionsreaktioner och skada de munkformade tokamakerna. Dessa utbrott, kallade edge localized modes (ELMs), uppstå vid kanten av varmt, laddad plasmagas när den sätter i hög växel för att underblåsa fusionsreaktioner.

För att förhindra sådana utbrott, forskare vid DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics (GA) driver för det amerikanska energidepartementet (DOE), tidigare banat väg för ett tillvägagångssätt som injicerar små krusningar av magnetiska fält i plasman för att få värme att läcka ut kontrollerbart. Nu har forskare vid DOE:s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) utvecklat ett kontrollschema för att optimera nivåerna av dessa fält för maximal prestanda utan ELM.

Vägen till att undertrycka ELM

Forskningen, ledd av PPPL-fysikern Florian Laggner och finansierad av DOE Office of Science, utvecklade schemat vid DIII-D i San Diego. Laggner sa att metoden, tillsammans med forskare från GA och andra samverkande institutioner, avslöjar en väg till att undertrycka ELM och maximera fusionskraften på ITER, den internationella tokamak under uppbyggnad i Frankrike som är designad för att demonstrera det praktiska med fusionsenergi. "Vi visar en väg framåt, ett sätt att göra det på, sa Laggner, huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Kärnfusion .

Fusion driver solen och stjärnorna genom att kombinera lätta element i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum – för att generera enorma mängder energi. Forskare runt om i världen försöker utnyttja fusion för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

Den demonstrerade tekniken använder den utökade kapaciteten hos DIII-D plasmakontrollsystemet för att hantera den inneboende konflikten mellan optimering av fusionsenergi och kontroll av ELM. Schemat fokuserar på "piedestalen, "den smala, tätt lager av plasma nära kanten av tokamak som ökar trycket på plasman och därmed fusionskraften. Dock, om piedestalen blir för hög kan den skapa ELM-värmeskurar genom att plötsligt kollapsa.

Så nyckeln är att kontrollera höjden på piedestalen för att maximera fusionskraften och samtidigt förhindra att lagret blir så högt att det utlöser ELM. Kombinationen kräver kontroll i realtid av processen. "Du kan inte bara förprogrammera något konstant schema i förväg, eftersom plasma- och väggförhållandena kan utvecklas, sade Egemen Kolemen, en biträdande professor i Mechanical and Aerospace Engineering vid Princeton University och en PPPL-fysiker som övervakade projektet. "Styrningen måste ge justeringar i realtid."

Stabil ELM-dämpning

Det utvecklade systemet skapade ELM-undertryckning vid minsta amplitud, eller storlek, av den magnetiska störningen. Det minskade ytterligare amplituden för att tillåta partiell återhämtning av inneslutningen som förlorades under processen, därigenom uppnås både stabil ELM-dämpning och hög fusionsprestanda.

"Laggner och kollegor har satt ihop en imponerande svit av kontrollverktyg för att reglera kärn- och kantplasmastabilitet i realtid, " sa GA fysiker Carlos Paz-Soldan, medförfattare till tidningen. "Någon form av adaptiv kontroll som de tekniker som banat väg i detta arbete kommer sannolikt att vara nödvändiga för att reglera plasmakantstabiliteten i ITER."

Även om den internationella anläggningen inte bara kommer att tillämpa det kontrollsystem som utvecklats av PPPL och GA, den måste skapa sin egen metod för att hantera ELM. Verkligen, "aktiva kontrollscheman kommer att möjliggöra säker drift med maximerad [fusion] vinst i framtida enheter som ITER, " sa författarna. Dessutom, de tillade, implementering av ett sådant system på DIII-D ger principbevis och "vägleder framtida utveckling."