Forskare har funnit att injicering av pellets av vätgas istället för att puffa vätgas förbättrar fusionsprestandan vid DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics driver för US Department of Energy (DOE). Studierna av fysiker baserade på DOE:s Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och Oak Ridge National Laboratory (ORNL) jämförde de två metoderna, ser fram emot den drivmedel som kommer att användas i ITER, det internationella fusionsförsöket under uppbyggnad i Frankrike.

Förbättra temperaturen

Forskarna visade att isiga pellets av väte förbättrar temperaturen på fusionsplasma i jämförelse med gasdrivningsmetoden som nu vanligtvis används i munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaks. Högre temperaturer är fördelaktiga för fusionsreaktionerna. Resultaten på DIII-D är uppmuntrande för ITER, som planerar att använda pelletsinjektion för att bränna sin heta inre kärna.

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar ljuselement i form av plasma - materiens tillstånd som består av positivt laddade atomkärnor och negativt laddade elektroner - för att skapa massiva mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en säker, ren och praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

En utmaning för att producera fusionsenergi är hur man får in kallt vätgas i den heta plasmakärnan. Solen har allt väte som den behöver i miljarder år, men fusionsreaktorer på jorden måste ständigt mata väte in i plasma för att upprätthålla fusionsreaktionerna. Puffande rumstemperaturgas är det vanligaste sättet att injicera väte i nuvarande experiment.

Större och varmare

Dock, när fusionsreaktorer blir större och varmare kommer det att bli svårare för gasen att tränga in i reaktorns kärna där fusionsreaktioner äger rum. Nya metoder måste därför utvecklas för att mata fusionskärnan utan att försämra plasmaprestanda.

Den gemensamma forskningsinsatsen på DIII-D jämförde de två tankmetoderna i högpresterande plasma som planeras för ITER. Experimenten avslöjade ett signifikant högre plasmatryck - en nyckel till fusionsreaktioner - med användning av vätgas jämfört med gasinjektion när bränslehastigheten är ungefär jämnt matchad mellan de två metoderna.

"Drivningen spelar en stor roll för de bästa plasmaprestanda, "sa Andrew" Oak "Nelson, en doktorand i programmet i plasmafysik vid Princeton University och första författare till Nuclear Fusion -artikeln som beskriver dessa resultat. Nelson ingår i ett multinstitutionellt team som noggrant designat och genomfört experimenten.

Forskare vid ORNL

Tekniken för att injicera ispellets utvecklades av forskare vid ORNL. Tolkning av de experimentella resultaten kräver sofistikerade vetenskapliga instrument som utvecklats av flera samverkande institutioner på DIII-D. "Det är fantastiskt att se hur våra multinstitutionella ansträngningar gick ihop för att ta itu med denna viktiga bränslefråga för ITER och framtida reaktorer, "sa Morgan Shafer, en ledande forskare vid ORNL och en medförfattare till uppsatsen.

Forskningen visar också hur doktorander kan göra viktiga bidrag till fusionsenergi genom att arbeta med dessa stora nationella forskningsanläggningar. "För en doktorand att spela en viktig roll i denna experimentella studie om DIII-D är imponerande, "sa Egemen Kolemen, en PPPL och Princeton University fysiker som var rådgivare för projektet. "Oak framgång visar hur stora fusionsexperiment ger betydande ledarskapsmöjligheter för studenter och tidiga karriärforskare."