Precis som eld producerar aska, kombinationen av ljuselement i fusionsreaktioner kan producera material som så småningom stör samma reaktioner. Nu, forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hittat bevis som tyder på att en process kan ta bort det oönskade materialet och göra fusionsprocesserna mer effektiva inom en typ av fusionsanläggning som kallas en fältomvänd konfiguration ( FRC) -enhet.

Inom alla fusionsmaskiner, elektroner och atomkärnor, eller joner, virvla i en sorts soppa som kallas plasma. Under den fusionsprocess som föreslås för en FRC, kärnorna i deuterium och helium-3, väte- och heliumatomer med en neutron vardera, kombinera och i processen släppa ut stora mängder energi. Fysiker studerar för närvarande hur man bäst kan fånga bränslepartiklarna inom magnetfält för att maximera antalet fusionsreaktioner samtidigt som man förhindrar skador på maskinens väggar från energiska partiklar som slipper magnetflaskan. Målet för alla fusionsenergiexperiment är att efterlikna fusionsprocessen i solen och stjärnorna på jorden för att producera praktiskt taget gränslös energi.

FRC-maskiner skiljer sig från munkformade tokamaker och vridna, cruller-liknande stellaratorer som för närvarande är go-to-design för fusionsanläggningar runt om i världen. FRC begränsar plasma vid högre temperaturer än tokamaks men kräver endast en uppsättning elektromagnetiska spolar formade i enkla cirklar. Dessutom, i stället för de cirkulära behållarna i tokamaks och stellaratorer, FRC skapar fält som sträcker sig mellan två slutpunkter som är nästan linjära, gör en FRC-enhet med låg effekt potentiellt lämplig som en fusionsdriven raketmotor för rymdfarkostdrivning.

Nyligen, dock, ny forskning på PPPL har antytt att med rätt design, FRC kan producera stabila plasma. Och eftersom PPPL-varianten av FRC förutspås producera mycket färre högenergi-neutroner än tokamaker gör, den typen av FRC -reaktor skulle kräva mindre skärmning för att skydda intern och omgivande utrustning.

Forskningen började för fem år sedan när grundstudenten Matt Chu-Cheong och Samuel Cohen, huvudutredare för laboratoriets FRC -experiment, började fundera på hur askpartiklarna som skapades i hypotetiska framtida FRC -reaktorer skulle kunna tas bort. Deras beräkningar antydde att de oönskade partiklarna långsamt skulle migrera till det "avskrapningsskikt" som förbinder plasman med kärlets materialytor. Passerar in och ut ur denna relativt coola region, partiklarna skulle tappa energi och sakta ner, mycket som rymdfarkoster kan minska hastigheten genom att doppa ner i atmosfären på en planet. Så småningom, partiklarna skulle tappa tillräckligt med hastighet för att stanna kvar i avskrapningsskiktet och ledas till ett avgassystem som tog bort dem från plasman.

Partiklarna skulle automatiskt komma in i avskrapningsskiktet på grund av deras höga energi. "Detta är ett snyggt sätt att ta bort fusionsprodukter från kärnan och förhindra att de byggs upp, "sa Evans, en huvudförfattare till en uppsats i Physics of Plasmas som noggrant undersökte processerna.

Evans och Cohen fruktade, dock, att om elektronerna i avskrapningsskiktet var för svala, de kanske inte rör sig tillräckligt snabbt för att fånga jonerna och orsaka borttagning. "Om elektronerna rör sig för långsamt, "Sa Cohen, "de kan inte hålla jämna steg med de snabba jonerna och jonerna känner inte mycket av en dragkraft."

Evans formulerade en hypotes och utförde sedan detaljerade simuleringar på högpresterande datorer vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility vid Lawrence Berkeley National Laboratory. Simuleringarna, som tog hänsyn till magnetfält i den hypotetiska FRC -maskinen och effekterna av de kalla elektronerna, producerade data som tyder på att askpartiklar i en FRC -reaktor skulle avlägsnas från plasma, fast långsammare än teorierna som skapades 1960 förutspådde. Ändå, den förutspådda avlägsnandehastigheten var tillräcklig för att tömma askejonerna och hindra dem från att störa fusionsreaktioner i framtida FRC -plasma.

Resultaten var oerhört uppmuntrande. "Min huvudsakliga reaktion var lättnad över att simuleringarna fungerade, att våra tidigare uppskattningar var okej, och att åtminstone i dessa simuleringar såg vi ingen anledning till att denna process inte skulle fungera, "Evans sa." Med andra ord, än så länge, så bra."