Stellaratorer, vridna maskiner som rymmer fusionsreaktioner, förlita sig på komplexa magnetspolar som är utmanande att designa och bygga. Nu, en fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat en matematisk teknik för att hjälpa till att förenkla designen av spolarna, göra stellaratorer till en potentiellt mer kostnadseffektiv anläggning för att producera fusionsenergi.

"Vårt huvudresultat är att vi kom fram till en ny metod för att identifiera de oregelbundna magnetfälten som produceras av stellaratorspolar, " sa fysikern Caoxiang Zhu, huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Kärnfusion . "Denna teknik kan låta dig veta i förväg vilka spolformer och placeringar som kan skada plasmans magnetiska inneslutning, lovar en kortare byggtid och minskade kostnader."

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, är sammansmältning av lätta element i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – som genererar enorma mängder energi. Twisty, cruller-formade stellaratorer är ett alternativ till munkformade tokamaks som är mer vanligt förekommande av forskare som försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

En viktig fördel med stellaratorer är deras produktion av mycket stabila plasma som är mindre känsliga för de skadliga störningar som tokamaks kan ådra sig. Men komplexiteten hos stellaratorspolar har varit en faktor som hållit tillbaka utvecklingen av sådana anläggningar.

Spolarna i en stellarator måste vara konstruerade och arrangerade runt vakuumkammaren mycket exakt, eftersom avvikelser från det bästa spolarrangemanget skapar stötar och vickningar i magnetfältet som försämrar den magnetiska inneslutningen och gör att plasman kan fly. Dessa problematiska magnetfält kan lätt orsakas av felplacering av magnetspolarna, så ingenjörer anger strikta toleranser för dessa komponenter.

"Den stora utmaningen med att bygga stellaratorer är att ta reda på hur man gör dem enkelt och ekonomiskt, " sade PPPL:s chefsforskare Michael Zarnstorff. "Zhus forskning är viktig eftersom han försöker titta mer noggrant och kvantitativt på några av kostnadsdrivarna. Hans resultat tyder på att vi kan förenkla konstruktionen av stellaratorer och därigenom göra dem enklare och billigare att bygga, genom att inte insistera på snäva toleranser för saker som inte spelar någon roll."

Förr, forskare har använt datorsimuleringar för att avgöra vilka spolplaceringar som skulle vara bäst, kontrollera plasmans reaktioner på alla möjliga magnetiska konfigurationer innan stellaratorn byggdes. Men eftersom det finns många sätt för spolarna att variera, "det här tillvägagångssättet kräver enorma beräkningsresurser och mantimmar, " sade Zhu. "I denna tidning, vi föreslår en ny matematisk metod för att snabbt identifiera farliga spolavvikelser som kan uppstå under tillverkning och montering."

Metoden bygger på en hessisk matris, ett matematiskt verktyg som gör att forskare kan avgöra vilka variationer av magnetspolarna som kan få plasman att ändra sina egenskaper. "Tanken är att ta reda på vilka störningar du verkligen måste kontrollera eller undvika, och som du kan ignorera, " sa Zhu.

Teamet bekräftade nyligen noggrannheten hos den nya metoden genom att använda den för att analysera spolplaceringar för en konfiguration som liknar Columbia Non-Neutral Torus, en liten fusionsanläggning som drivs av Columbia University. De jämförde resultaten med de som producerats av tidigare studier som förlitade sig på konventionella metoder och fann att de höll med. Teamet samarbetar nu med forskare i Kina för att använda metoden för att optimera spolplacering på den kinesiska First Quasi-axisymmetric Stellarator (CFQS), för närvarande under uppbyggnad.

Den nya tekniken kan hjälpa forskare att designa bättre stellaratorer, sa Zhu. Det kunde göra möjliga sätt att identifiera ett optimalt spolarrangemang som ingen hade tänkt på tidigare.