Ett viktigt hinder för fusionsenheter som kallas stellaratorer – snodda anläggningar som försöker utnyttja de fusionsreaktioner som driver solen och stjärnorna på jorden – har varit deras begränsade förmåga att upprätthålla värmen och prestanda hos plasman som driver dessa reaktioner. Nu samarbetar forskning av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Max Planck Institute for Plasma Physics i Greifswald, Tyskland, har funnit att Wendelstein 7-X (W7-X)-anläggningen i Greifswald, den största och mest avancerade stellaratorn som någonsin byggts, har visat ett viktigt steg för att övervinna detta problem.

Banbrytande anläggning

Den banbrytande anläggningen, byggd och inhyst vid Max Planck Institute for Plasma Physics med PPPL som den ledande amerikanska samarbetspartnern, är utformad för att förbättra plasmans prestanda och stabilitet – den varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner, som utgör 99 procent av det synliga universum. Fusionsreaktioner smälter joner för att frigöra enorma mängder energi - den process som forskare försöker skapa och kontrollera på jorden för att producera säkra, ren och praktiskt taget obegränsad kraft för att generera elektricitet för hela mänskligheten.

Ny forskning om W7-X syftade till att avgöra om utformningen av den avancerade anläggningen skulle kunna dämpa läckaget av värme och partiklar från plasmans kärna, vilket länge har bromsat framfarten av stellaratorer. "Det är en av de viktigaste frågorna i utvecklingen av stellaratorfusionsenheter, " sa PPPL fysiker Novimir Pablant, huvudförfattare till en artikel som beskriver resultaten i Kärnfusion .

Hans arbete bekräftar en viktig aspekt av resultaten. Forskningen, kombinerat med resultaten av en godkänd artikel av Max Planck-fysikern Sergey Bozhenkov och en artikel under granskning av fysikern Craig Beidler vid institutet, visar att den avancerade designen faktiskt dämpar läckaget. "Våra resultat visade att vi fick en första glimt av våra riktade fysikregimer mycket tidigare än förväntat, ", sa Max Planck-fysikern Andreas Dinklage. "Jag minns min spänning när jag såg Novis rådata i kontrollrummet direkt efter skottet. Jag insåg direkt att det var ett av de sällsynta ögonblicken i en forskares liv när bevisen du mäter visar att du följer den rätta vägen. Men även nu är det långt kvar."

Vanligt problem

Läckaget, kallas "transport, " är ett vanligt problem för stellaratorer och mer allmänt använda fusionsenheter som kallas tokamaks som traditionellt har klarat problemet bättre. Två förhållanden ger upphov till transport i dessa anläggningar, som begränsar plasman i magnetiska fält som partiklarna kretsar kring.

Dessa villkor är:

• Turbulens. Plasmas oregerliga virvlande och virvlande kan utlösa transport;
• Kollisioner och banor. De partiklar som kretsar kring magnetfältslinjer kan ofta kollidera, slå ut dem ur sina banor och orsaka vad fysiker kallar "neoklassisk transport".

Designers av W7-X stellaratorn försökte minska neoklassisk transport genom att noggrant forma komplexet, tredimensionella magnetspolar som skapar det begränsande magnetfältet. För att testa effektiviteten av designen, forskare undersökte kompletterande aspekter av det.

Pablant fann att mätningar av plasmabeteende i tidigare W7-X-experiment stämde väl överens med förutsägelserna i en kod utvecklad av Matt Landreman från University of Maryland som liknar dem som designerna använde för att forma de vridande W7-X-spolarna. Bozhenov tog en detaljerad titt på experimenten och Beidler spårade kontrollen av läckaget till den avancerade designen av stellaratorn.

"Denna forskning validerar förutsägelser för hur väl den optimerade designen av W7-X minskar neoklassisk transport, " sa Pablant. Som jämförelse, han lade till, "Ooptimerade stellaratorer har klarat sig mycket dåligt" för att kontrollera problemet.

Ytterligare fördel

En ytterligare fördel med den optimerade designen är att den avslöjar var det mesta av transporten i W7-X stellaratorn nu kommer ifrån. "Detta låter oss bestämma hur mycket turbulent transport som pågår i plasmans kärna, "Forskningen markerar det första steget i att visa att högpresterande stellaratordesigner som W-7X är ett attraktivt sätt att producera en ren och säker fusionsreaktor."