Medlemmar av DIII-D Neutral Beam Group framför ett balkhus för två av de åtta strållinjerna. Kredit:General Atomics
Forskare som arbetar vid DIII-D National Fusion Facility at General Atomics (GA) har skapat ett viktigt nytt verktyg för att kontrollera fusionsplasma som är varmare än solen.
Energi och momentum i DIII-D:s magnetiskt innehöll plasma levereras av stora strålsystem med neutrala partiklar, och GA:s senaste demonstration av exakt kontroll av injicerad effekt och vridmoment är en första. Forskare kan nu förprogrammera dessa insignaler under plasmautsläpp (kallade "skott"). GA ledde utvecklingsarbetet i samarbete med forskare från University of California-Irvine och Princeton Plasma Physics Laboratory.
Tidigare, dessa ingångar skräddarsyddes med on/off -modulering av neutralstrålar, resulterar i stora störningar, dvs kraftsvängningar. Den nya metoden möjliggör separat och kontinuerlig specifikation av effekt och vridmoment, inklusive den viktiga förmågan att bibehålla en fast injicerad effektnivå samtidigt som man varierar vridmomentet.
Att ändra hur detta system fungerar är en betydande insats, med tanke på storleken och komplexiteten för varje strålsystem; det finns fyra hus i lastbilstorlek för åtta totala balkar vid DIII-D (figur 1). Neutralstrålsystemet injicerar upp till 20 megawatt effekt, ungefär den effekt som används av 15, 000 hem.
Spektrogram för uppmätt strålejonförlust. Båda plasmaskotten har samma totala stråleffekt, men bilden som visas till höger använder ett strålspänningsprogram som kraftigt minskar amplituden för koherenta plasmavågor. Upphovsman:D.C. Pace, et al., Nucl. Fusion 57, 014001 (2017)
Förr, neutrala strålar har drivits genom att accelerera joner genom en hög spänning (cirka 90, 000 volt, jämfört med 120 volt i ett vanligt hushållsuttag) som är fast i tid, och sedan passera dem genom en kammare med tät gas där de neutraliseras och flyger in i det magnetiserade plasmaet. Hög accelerationsspänning är nödvändig för att maximera hastigheten hos den resulterande neutrala atom- och strålvärmeeffekten.
Experiment de senaste åren har visat att strålpartiklarnas hastighet kan producera eller förstärka elektromagnetiska plasmavågor som sparkar dessa strålpartiklar ut ur plasma och in i tokamakens väggar. Detta presenterar ett dilemma eftersom helljuseffekt är nödvändig för att nå fusionstemperaturer, men förlusten av strålpartiklar minskar temperaturen och kan leda till kostsamma skador längs tokamakväggarna.
Lösningen är att variera strålens högspänning över tid, därigenom reducerar förluster av strålpartiklar på grund av plasmavågor samtidigt som inmatningsstråleffekten maximeras. När plasman värms upp, plasmavågornas beteende förändras så att strålpartiklar med olika hastigheter interagerar med vågorna. Nu, DIII-D-neutralstrålarna kan ges förprogrammerade spänningsprofiler som minimerar våg-partikelinteraktioner. Detta håller strålpartiklarna i plasma och tillåter strålspänningen att öka till högre nivåer som maximerar den ingående värmeeffekten. Ett exempel på minskad plasmavågsaktivitet visas i diagrammen nedan (figur 2), där liknande plasmaförhållanden producerar mycket olika vågor baserat på strålspänningens tidsutveckling.
"Detta projekt involverade två år av ingenjörer och fysiker som arbetade hårt för att skapa något nytt, och det är underbart att se det fungera framgångsrikt på DIII-D, "sa Dr David Pace, en fysiker som ledde projektet för GA Energy Group, "Nu får vi fokusera på nästa spännande steg, som visar alla sätt som dessa variabla spänningsstrålar kan förbättra magnetisk fusion i maskiner över hela världen. "
De första resultaten kommer att presenteras av Tim Scoville, chef för Neutral Beam Group på DIII-D, vid årsmötet i American Physical Society Division of Plasma Physics, 31 oktober - 4 november. Detta arbete stöds av U.S. Department of Energy, Vetenskapsbyrån, Office of Fusion Energy Sciences, vid DIII-D-anläggningen som drivs av GA.
