Forskare som använder magnetfält för att flaska upp och kontrollera fusionsreaktionerna som driver solen och stjärnorna på jorden måste korrigera eventuella fel i formen av fälten som innehåller reaktionerna. Sådana fel ger avvikelser från fälternas symmetriska form i donutliknande tokamakfusionsanläggningar som kan ha en skadlig inverkan på stabiliteten och inneslutningen av den heta, laddad plasmagas som driver reaktionerna.

Forskare ledda av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hittat tydliga bevis på förekomsten av felfält i den första tioveckorskörningen av National Spherical Torus Experiment—Upgrade (NSTX-U) , flaggskeppsfusionsanläggningen vid laboratoriet. Den uttömmande detektionsmetoden de använde kan ge lektioner för felkorrigering i framtida fusionsenheter som ITER, den stora internationella fusionsanläggningen som byggs i Frankrike för att demonstrera det praktiska med kontrollerad fusionsenergi.

Fusion driver solen och stjärnorna

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, är sammansmältning av ljuselement i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – som genererar enorma mängder energi. Forskare runt om i världen försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

På PPPL, forskare har satt ihop en kombination av experimentella data, detaljerad mätning av magneternas position, och datormodellering av plasmans respons för att lokalisera källan till NSTX-U-felfälten. Analysen avslöjade ett spektrum av små felfält - ett oundvikligt resultat av att en tokamak inte kan vara helt symmetrisk - men de flesta hade en lätt korrigerbar inverkan på plasma. Dock, ett stort fynd stack ut:en liten förskjutning av magnetspolarna som löper ner i mitten av tokamak och producerar fälten som sveper sig horisontellt - eller "toroidalt" - runt kärlets inre.

Ledtråden sökte forskarna

Denna förskjutning var ledtråd forskarna hade sökt. "Vi letade efter källan till felet med störst inverkan på plasma, " sa fysiker Nate Ferraro, första författare till forskningen som rapporterade sökningen och upptäckten i Kärnfusion . "Vad vi hittade var en liten felinriktning av mittstapelns spolar med höljet som omsluter dem."

Den lilla felinställningen genererade fel som gav resonans i plasmans beteende. Bland frågorna var en broms- och låseffekt som hindrade plasmakanten från att rotera, och ökad lokal uppvärmning på plasma-vända komponenter inuti tokamak.

Upptäckten av felinställningen följde avstängning av tokamak för pågående reparationer i spåren av ett spolfel. Felinställningsfynden används nu "för att driva nya tekniska toleranskrav för NSTX-U när den byggs om, " sa forskarna. Sådana krav kräver snävare tolerans mellan mittstapeln och höljet som omsluter den. Den snävare toleransen skulle minska avvikelsen från optimal inriktning av de två komponenterna till mindre än två hundradels tum längs den vertikala axeln av mittbunten.

Justeringen skulle lindra oro för ökad lokal uppvärmning och skulle minska magnetbromsen och låsningen, enligt författarna. Sådana utvecklingar skulle därigenom förbättra plasmans stabilitet. "Varje tokamak är bekymrad över felfält, ", sa Ferraro. "Vad vi försöker göra är att optimera NSTX-U."

Partnerskap med experiment

Resultaten visar sambandet mellan PPPL-teoriavdelningen och NSTX-U-experimentet, sa Amitava Bhattacharjee, som leder teorin. "Detta är ett utmärkt exempel på NSTX-U-Theory Partnership-programmet som har varit fördelaktigt för både NSTX-U och teoriavdelningarna vid PPPL, och som fortsätter även när NSTX-U är i återhämtning, " sa Bhattacharjee.

Medlemmar i forskargruppen inkluderade forskare från PPPL, Sandia National Laboratory, General Atomics och Oak Ridge National Laboratory. DOE Office of Science finansierade arbetet.