I jakten på fusionsenergi, forskare har spenderat årtionden med att experimentera med sätt att göra plasmabränsle varmt och tätt nog för att generera betydande fusionskraft. På MIT, forskare har fokuserat sin uppmärksamhet på att använda radiofrekvensuppvärmning (RF) i fusionsexperiment med magnetisk inneslutning som Alcator C-Mod tokamak, som avslutade sin sista körning i september 2016.

Nu, använda data från C-Mod-experiment, fusionsforskare vid MIT:s Plasma Science and Fusion Center (PSFC), tillsammans med kollegor i Belgien och Storbritannien, har skapat en ny metod för uppvärmning av fusionsplasma i tokamaker. Den nya metoden har resulterat i att spårmängder av joner ökat till megaelektronvolt (MeV) -energier - en storleksordning större än tidigare uppnådd.

"Dessa högre energiområden är i samma intervall som aktiverade fusionsprodukter, " PSFC-forskaren John C. Wright förklarar. "Att kunna skapa sådana energiska joner i en icke-aktiverad enhet – inte göra en enorm mängd fusion – är fördelaktigt, eftersom vi kan studera hur joner med energier som är jämförbara med fusionsreaktionsprodukter beter sig, hur väl de skulle vara instängda."

Det nya tillvägagångssättet, nyligen beskrivet i tidningen Naturfysik , använder ett bränsle som består av tre jonarter:väte, deuterium, och spårmängder (mindre än 1 procent) helium-3. Vanligtvis, plasma som används för fusionsforskning i laboratoriet skulle bestå av två jonarter, deuterium och väte eller deuterium och He-3, med deuterium som dominerar blandningen med upp till 95 procent. Forskare fokuserar energi på minoritetsarterna, som värmer upp till mycket högre energier på grund av sin mindre bråkdel av den totala densiteten. I det nya schemat för tre arter, all RF-energi absorberas av bara en spårmängd av He-3 och jonenergin ökar ännu mer-till utbudet av aktiverade fusionsprodukter.

Wright blev inspirerad att fortsätta denna forskning efter att ha deltagit i en föreläsning 2015 om detta scenario av Yevgen Kazakov, en forskare vid Laboratory for Plasma Physics i Bryssel, Belgien, och huvudförfattare till Nature Physics -artikeln. Wright föreslog att MIT testade dessa idéer med Alcator C-Mod, med Kazakov och hans kollega Jef Ongena samarbetar från Bryssel.

På MIT, PSFC -forskare Stephen Wukitch hjälpte till att utveckla scenariot och köra experimentet, medan professor Miklos Porkolab bidrog med sin expertis om RF-uppvärmning. Forskaren Yijun Lin kunde mäta den komplexa vågstrukturen i plasma med PSFC:s unika faskontrastavbildningsdiagnostik (PCI), som utvecklades under de senaste två decennierna av Porkolab och hans doktorander. Forskare Ted Golfinopoulos stödde experimentet genom att spåra effekten av MeV-joner på mätningar av plasmafluktuationer.

De framgångsrika resultaten på C-Mod gav bevis på principen, tillräckligt för att få forskare vid Storbritanniens Joint European Torus (JET), Europas största fusionsenhet, intresserade av att återskapa resultaten. Som JET, C-Mod opererade med magnetfältstyrka och plasmatryck jämförbara med vad som skulle behövas i en framtida fusionskompatibel enhet. De två tokamakerna hade också kompletterande diagnostiska möjligheter, gör det möjligt för C-Mod att mäta vågorna som är involverade i den komplexa våg-partikelinteraktionen, medan JET kunde direkt mäta partiklarna i MeV-området.

John Wright berömmer samarbetet.

"JET -folket hade riktigt bra energipartikeldiagnostik, så att de direkt kunde mäta dessa joner med hög energi och verifiera att de verkligen var där, "säger han." Det faktum att vi hade en grundläggande teori förverkligad på två olika enheter på två kontinenter kom samman för att producera ett starkt papper. "

Porkolab föreslår att det nya tillvägagångssättet kan vara till hjälp för MIT:s samarbete med Wendelstein 7-X-stjärnan vid Max Planck Institute for Plasma Physics i Greifswald, Tyskland, där forskning pågår om en av de grundläggande fysikfrågorna:Hur väl fusionsrelevanta energijoner är instängda. Nature Physics-artikeln noterar också att experimenten kan ge insikt i det rikliga flödet av He-3-joner som observerats i solflammor.