Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, producerar massiva mängder energi. Forskare här på jorden försöker replikera denna process, som slår samman ljuselement i form av heta, laddad plasma bestående av fria elektroner och atomkärnor, att skapa en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera elektricitet i vad som kan kallas en "stjärna i en burk".

Ett långvarigt pussel i ansträngningen att fånga fusionens kraft på jorden är hur man minskar eller eliminerar en vanlig instabilitet som uppstår i plasma som kallas edge localized modes (ELM). Precis som solen släpper ut enorma utbrott av energi i form av solstrålar, så flammliknande utbrott av ELM kan smälla in i väggarna i munkformade tokamaker som rymmer fusionsreaktioner, kan skada reaktorns väggar.

Krusningar styr nya utbrott

För att kontrollera dessa utbrott, forskare stör plasman med små magnetiska krusningar som kallas resonanta magnetiska störningar (RMP) som förvränger det släta, donutform av plasma - frigör överskottstryck som minskar eller förhindrar att ELM uppstår. Den svåra delen är att producera precis rätt mängd av denna 3D-förvrängning för att eliminera ELM utan att utlösa andra instabiliteter och släppa ut för mycket energi som, i värsta fall, kan leda till en stor störning som slutar plasma.

Att göra uppgiften exceptionellt svår är det faktum att ett praktiskt taget obegränsat antal magnetiska snedvridningar kan appliceras på plasma, orsaka att hitta rätt typ av snedvridning som en extraordinär utmaning. Men inte längre.

Fysikern Jong-Kyu Park vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), som arbetar med ett team av medarbetare från USA och National Fusion Research Institute (NFRI) i Korea, har framgångsrikt förutspått hela uppsättningen fördelaktiga 3D-snedvridningar för att styra ELM utan att skapa fler problem. Forskare validerade dessa förutsägelser på den koreanska Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) -anläggningen, en av världens mest avancerade supraledande tokamaker, ligger i Daejeon, Sydkorea.

KSTAR perfekt för tester

KSTAR var perfekt för att testa förutsägelserna på grund av dess avancerade magnetkontroller för att generera exakta snedvridningar i det nästan perfekta, munkformad symmetri i plasma. Identifiera de mest fördelaktiga snedvridningarna, som uppgår till mindre än en procent av alla möjliga snedvridningar som kan produceras inuti KSTAR, hade varit praktiskt taget omöjligt utan den förutsägbara modellen som forskargruppen utvecklat.

Resultatet var en prejudicerande prestation. "Vi visar för första gången hela 3D-fältets driftfönster i en tokamak för att undertrycka ELM utan att uppröra kärninstabilitet eller alltför förnedrande inneslutning, "sa Park, vars uppsats - skriven med 14 medförfattare från USA och Sydkorea - publiceras i Naturfysik . "Länge trodde vi att det skulle vara för beräknat svårt att identifiera alla fördelaktiga symmetribrytande fält, men vårt arbete visar nu ett enkelt förfarande för att identifiera uppsättningen för alla sådana konfigurationer. "

Forskare minskade komplexiteten i beräkningarna när de insåg att antalet sätt plasma kan förvränga faktiskt är mycket färre än intervallet av möjliga 3D-fält som kan appliceras på plasma. Genom att arbeta bakåt, från distorsioner till 3D-fält, författarna beräknade de mest effektiva fälten för att eliminera ELM. KSTAR -experimenten bekräftade förutsägelserna med anmärkningsvärd noggrannhet.

Fynd ger nytt förtroende

Fynden på KSTAR ger nytt förtroende för möjligheten att förutsäga optimala 3D-fält för ITER, den internationella tokamak under uppbyggnad i Frankrike, som planerar att använda speciella magneter för att producera 3D-snedvridningar för att styra ELM. Sådan kontroll kommer att vara avgörande för ITER, vars mål är att producera 10 gånger mer energi än vad som krävs för att värma plasma. Sa författarna till tidningen, "metoden och principen som antagits i denna studie kan avsevärt förbättra effektiviteten och trovärdigheten för den komplicerade 3D-optimeringsprocessen i tokamaks."