Hur startar man en fusionsreaktion, processen som lyser upp solen och stjärnorna, på jorden? Som att tända en tändsticka för att starta en eld, du producerar först plasma, tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor som driver fusionsreaktioner, och höj den till temperaturer som konkurrerar med solen på hundratals millisekunder.

Fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), arbetar med forskare vid Culham Center for Fusion Energy (CCFE) i Storbritannien, har konstruerat ett simuleringsramverk för att utveckla och testa plasmastartrecepten för National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) vid PPPL och Mega Ampere Spherical Tokamak-Upgrade (MAST-U) vid CCFE. "Detta är ett verktyg för att hjälpa en operatör att utforma ett framgångsrikt startrecept innan han sätter sig i förarsätet vid NSTX-U eller MAST-U, " sa fysikern Devon Battaglia, som leder teamet av operatörer på NSTX-U-experimentet och är huvudförfattare till en artikel som beskriver modellen i tidskriften Kärnfusion .

Sammansmältning av plasmapartiklar

Fusion smälter samman plasmapartiklar för att frigöra enorma mängder energi. Forskare runt om i världen försöker replikera den himmelska processen för att producera en säker, rena, och praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera el.

Det typiska receptet för att bilda en plasma i magnetiska fusionsenheter som kallas tokamaks börjar med att applicera spänning över en gas som injiceras i ett starkt magnetfält. Gasen blir plasma inom några millisekunder och värms snabbt upp till miljontals grader. Att skapa det bästa receptet för en framgångsrik start kräver att man finjusterar gastrycket med en konsekvent utveckling av de elektriska och magnetiska fälten, en känslig uppgift som ankommer på operatören.

Den nya simuleringskapaciteten gör det möjligt för operatörer att snabbt uppnå den balansen, avsevärt minska mängden tid som ägnas åt att köra experiment för att hitta ett recept som fungerar.

Forskare härledde och validerade modellerna i simuleringsramverket mot data som samlats in från tidigare experiment på NSTX-U och dess föregångare, och föregångaren till MAST-U. Battaglia arbetade nära med fysiker på CCFE för att utveckla den nya modellen, göra tidningen till en gemensam ansträngning, och kommer att resa dit igen för den planerade uppstarten av MAST-U.

"Plasmanedbrytning är en viktig milstolpe för MAST-U och Devons arbete ger värdefull insikt om den bästa vägen för att uppnå uppstart, " sa fysikern Andrew Thornton, huvudoperatör vid MAST-U och medförfattare till tidningen. "Att ha Devons expertis på plats när vi startar om kommer att vara oerhört värdefullt eftersom han har utfört liknande experiment på NSTX-U som kan vägleda insatser på MAST-U."

Ge nya insikter

Utveckling av modellen ger nya insikter i uppstarten av sfäriska tokamaks som NSTX-U och MAST-U, som är formade som äpplen med kärnor snarare än den munkliknande formen av mer allmänt använda konventionella tokamaks. Processen att sätta ihop simuleringsramverket har också bidragit till ansträngningarna att utveckla beräkningsverktyg för den första driften av ITER, den internationella tokamak som byggs i Frankrike för att demonstrera det praktiska med fusionsenergi.