En stor utmaning för utvecklingen av fusionsenergi är att upprätthålla den ultraheta plasman som driver fusionsreaktioner i ett stabilt tillstånd, eller hållbart, form med supraledande magnetspolar för att undvika det enorma effektbehovet för kopparspolar. Medan supraledare kan tillåta en fusionsreaktor att fungera på obestämd tid, att kontrollera plasmat med supraledare är en utmaning eftersom tekniska begränsningar begränsar hur snabbt sådana magnetiska spolar kan anpassas jämfört med kopparspolar som inte har samma begränsningar.

Den långsammare svarstiden för dessa supraledande spolar skapar problemet. Den långsammare takten gör det svårt att driva en stabil urladdning med den stora plasmavolymen eller utökade vertikala höjden som krävs för att producera fusionskraft. Utforskning av detta problem i en aktuell supraledande enhet är särskilt användbart för ITER, det internationella fusionsexperimentet under uppbyggnad i Frankrike, som kommer att vara i drift 2025.

Utmaningens framkant

I framkanten av denna kontrollutmaning är enheten Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR), en av de största supraledande tokamakerna i världen. Dess supraledare är gjorda av niob och tenn, samma ledare som är planerad att användas i ITER.

Ett team av amerikanska och koreanska forskare, ledd av fysikern Dennis Mueller från US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har nu kraftigt förbättrat stabiliteten hos den långsträckta plasman i KSTAR, sätta ett exempel på hur man kan hantera liknande problem i andra supraledande enheter som ITER. Den framgångsrika kontrollmetoden, demonstrerade i somras av Mueller och fysiker från National Fusion Research Institute (NFRI) i Sydkorea och General Atomics i San Diego, begränsar år av ansträngningar för att kontrollera den vertikala instabiliteten, vilket hade låtit plasman studsa upp och ner i det 11 fot höga vakuumkärlet.

"När plasman blev högre flyttade den sig bort från stabil drift, " Mueller berättade för det 59:e årliga mötet för American Physical Society Division of Plasma Physics i oktober. "Den nya korrigeringsmetoden stoppar plasman från att studsa upp och ner genom att stabilisera plasmans vertikala centrum. Kontroll av den vertikala instabiliteten har möjliggjort högre plasma i KSTAR än de ursprungliga designspecifikationerna."

Modifierad elektronik

Nyckeln till fixen var modifierad elektronik för sensorer som upptäcker plasmans magnetfält och plasmans rörelse och position. De modifierade sensorerna skickar snabbt en styrsignal som kan ge feedback om det vertikala läget. Återkopplingen använder en vertikal kontrollspole (IVC) i kärlet för att trycka tillbaka förändringarna i det vertikala läget och förhindra avslutning av plasman. "Att använda de förbättrade sensorsignalerna är avgörande för att styrsystemet ska fungera bra, " sa Mueller.

De nya magnetiska sensorerna tog ett lagarbete för att utveckla och optimera. Tillhandahållande av elektroniken var KSTAR-forskarna Jun Gyo Bak och Heungsu Kim. Ledande insatsen var Mueller och KSTARs Sang-hee Hahn.

Förutom sensorförbättringarna, Nicholas Eidietis från General Atomics utvecklade ett kontrollsystem som skiljer mellan snabba och långsamma förändringar i sensorsignalerna och styr olika spolar att reagera på plasmarörelsen på olika tidsskalor. Slutresultatet av detta internationella lagarbete är ett kontrollsystem som reagerar effektivt på plasmarörelser, möjliggör drift med högre plasma som överträffar KSTAR-designkraven. DOE Office of Science (FES) stödde detta samarbetsarbete.