Som en keramiker som formar lera när den snurrar på ett hjul, fysiker använder magnetiska fält och kraftfulla partikelstrålar för att styra och forma plasma när det vrider och vrider sig genom en fusionsanordning. Nu har en fysiker skapat ett nytt system som låter forskare styra plasma och energi i realtid i en munkformad maskin som kallas en tokamak.

"När du konstruerar fusionsmaskiner, det blir allt viktigare att använda styrsystem och modelleringstekniker hämtade från flygteknikens värld, "sade Imène Goumiri, forskaren som ledde arbetet. "Det nya är att dessa verktyg nu har tillämpats på plasmafysikproblem; det är det som gör denna forskning unik." Goumiri var doktorand vid Princeton University som forskade vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och är nu fysiker vid University of Wisconsin-Madison.

Goumiris system, känd som en feedback controller, inkluderar sensorer inom tokamak som är kopplade till en datoralgoritm som tolkar data som sensorerna samlar in. Algoritmen aktiverar sex strålar av neutrala partiklar som värmer och snurrar plasma inuti tokamaken och aktiverar sex rektangulära magnetiska spolar som ligger runt maskinens utsida. "Detta är första gången dessa två ställdon har använts tillsammans för att styra plasmarotationsprofilen, "sa Steven Sabbagh, en senior forskare och adjungerad professor i tillämpad fysik vid Columbia University som har samarbetat med PPPL i 27 år och var en av tidningens medförfattare.

Genom att styra rotationen, fysiker kan förhindra instabilitet från att försämra magnetfältet och låta plasma försvinna, stänga av fusionsreaktionerna.

Forskare utformade algoritmen för National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U), som har ett förbättrat neutralt strålsystem som påverkar plasmas rotation genom att kollidera med plasmas laddade partiklar och överföra momentum. Systemet har två sändare med tre neutrala strålkällor vardera. En sändare riktar sig mot kärnan i plasma medan den andra riktar sig mot kanten för att utöva hävstång över plasman som helhet. Ett flexibelt magnetsystem tillåter fysiker att ytterligare styra plasmarotationsfördelningen. I allmänhet, algoritmen använder de magnetiska spolarna och den neutrala strålsändaren i olika kombinationer för att ändra hur olika regioner i plasma roterar.

Algoritmen balanserar också effekterna av magneterna och de neutrala strålarna för att se till att den totala plasman inte ryker grovt från en hastighet till en annan. Målet är att uppnå en viss mängd plasmavärme, eller lagrad energi, tillsammans med den önskade plasmarotationen - en innovation som en tidigare version av algoritmen saknade.

Goumiri och teamet testade den nya controller -algoritmen på en simulerad tokamak skapad av datorkoden TRANSP, ett PPPL-designat program som används inom magnetisk fusionsforskning runt om i världen. Testet visade att algoritmen framgångsrikt kunde modifiera både plasmas rotationsprofil och lagrad energi på sätt som skulle öka plasmans stabilitet.

I framtiden, Goumiri hoppas kunna testa sin controller-algoritm på NSTX-U. Väl i drift, de lärdomar fysikerna drar av att använda algoritmen kan påverka utformningen av framtida fusionsreaktorer. Sådana reaktorer kommer att ha mer än en algoritm för att kontrollera plasmarotation, elektrisk ström, och formen på plasma. Framtida forskning kommer att behöva fokusera på hur alla kontroller fungerar tillsammans och att designa ett globalt system som gör det möjligt för kontrollerna att fungera harmoniskt.

Denna forskning publicerades i februari 2017 i onlineversionen av Plasmas fysik och finansierades av DOE:s Office of Science (Fusion Energy Sciences).