Forskare som försöker få fusionsreaktionen som driver solen och stjärnorna till jorden måste hålla superhotplasma fri från störningar. Nu har forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) upptäckt en process som kan hjälpa till att kontrollera de störningar som anses vara farligast.

Replikera fusion, som frigör gränslös energi genom att smälta atomkärnor i materia som kallas plasma, kunde producera ren och praktiskt taget obegränsad kraft för att generera el till städer och industrier överallt. Att fånga och kontrollera fusionsenergi är därför en viktig vetenskaplig och teknisk utmaning för forskare över hela världen.

Skapa magnetiska öar

PPPL -fyndet, rapporterade i Fysiska granskningsbrev , fokuserar på så kallade rivningslägen-instabilitet i plasma som skapar magnetiska öar, en viktig källa till plasmastörningar. Dessa öar, bubbelliknande strukturer som bildas i plasma, kan växa och utlösa störande händelser som stoppar fusionsreaktioner och skadar munkformade anläggningar som kallas "tokamaks" som rymmer reaktionerna.

Forskare fann på 1980-talet att användning av radiofrekventa (RF) vågor för att driva ström i plasma kan stabilisera rivlägen och minska risken för störningar. Dock, forskarna märkte inte att små förändringar - eller störningar - i plasmatemperaturen kan förbättra stabiliseringsprocessen, när en nyckeltröskel i kraft överskrids. Den fysiska mekanismen som PPPL har identifierat fungerar så här:

• Temperaturstörningarna påverkar styrkan hos den aktuella enheten och mängden RF -effekt som deponeras på öarna.
• Störningarna och deras inverkan på avsättningen av maktåterkoppling mot varandra på ett komplext - eller olinjärt - sätt.
• När återkopplingen kombineras med den aktuella enhetens känslighet för temperaturstörningar, effektiviteten i stabiliseringsprocessen ökar.
• Vidare, den förbättrade stabiliseringen är mindre sannolikt att påverkas av felriktade strömdrivrutiner som inte träffar öns centrum.

Den totala effekten av denna process skapar vad som tekniskt kallas "RF -strömkondensation, "eller koncentration av RF -kraft inuti ön som hindrar den från att växa." Effektavsättningen ökar kraftigt, "sa Allan Reiman, en teoretisk fysiker på PPPL och huvudförfattare till uppsatsen. "När kraftavsättningen på ön överskrider en tröskelnivå, det finns ett hopp i temperaturen som starkt stärker den stabiliserande effekten. Detta möjliggör stabilisering av större öar än man tidigare trodde var möjligt. "

Fördelaktigt för ITER

Denna process kan vara särskilt fördelaktig för ITER, den internationella tokamak under uppbyggnad i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft. "Det finns oro för att öar blir stora och orsakar störningar i ITER, ”Sa Reiman.” Sammantaget dessa nya effekter borde göra det lättare att stabilisera ITER -plasma. "

Reiman arbetade med professor Nat Fisch, associerad direktör för akademiska frågor vid PPPL och medförfattare till rapporten. Fisch hade demonstrerat i ett landmärke från 1970 -talet att RF -vågor kan användas för att driva strömmar för att begränsa tokamakplasma genom en process som nu kallas "RF -strömdrift".

Fisch påpekar hur "det var Reimans banbrytande papper 1983 som förutspådde att dessa RF -strömmar också kunde stabilisera rivningslägen. Användningen av RF -strömdrift för stabilisering av rivningslägen var kanske ännu mer avgörande för tokamak -programmet än att använda dessa strömmar för att begränsa plasma, Sa Fisch.

"Därav, " han sa, "Reimans tidning från 1983 lanserade i huvudsak experimentella kampanjer på tokamaks över hela världen för att stabilisera rivningslägen." Dessutom, han lade till, "Betydande, förutom att förutsäga stabilisering av rivningslägen med RF, 1983 -papperet påpekade också vikten av temperaturstörningar på magnetiska öar. "

Undervärderad funktion

Det nya papperet tar en ny titt på effekterna av dessa temperaturstörningar på öarna, en egenskap som har varit underskattad sedan tidningen 1983 pekade på den. "Vi gick i princip 35 år tillbaka för att föra den tanken lite längre genom att utforska den fascinerande fysiken och de större konsekvenserna av positiv feedback, "Fisch sa." Det visade sig att dessa konsekvenser nu kan vara mycket viktiga för tokamak -programmet idag. "

Teoretikerna började sitt senaste arbete med en enkel modell och avancerade till mer komplexa för att ta itu med de viktigaste frågorna. De planerar nu att ta fram en mer detaljerad bild med ännu mer sofistikerade modeller. De arbetar också med att föreslå experimentella kampanjer som kommer att avslöja dessa nya effekter. Stöd för denna forskning kommer från DOE Office of Science.