Ett team vid DIII-D National Fusion Facility ledd av en William &Mary-fysiker har gjort ett betydande framsteg inom fysikförståelse som representerar ett nyckelsteg mot praktisk fusionsenergi.

Arbetet, publiceras i en artikel i tidskriften Kärnfusion , hjälper till att bättre förklara sambandet mellan tre variabler - plasmaturbulens, transporten av elektroner genom plasman och elektrondensiteten i kärnan. Eftersom dessa faktorer är nyckelelement i fusionsreaktionen, denna förståelse kan avsevärt förbättra förmågan att förutsäga prestanda och effektivitet hos fusionsplasma, ett nödvändigt steg mot att uppnå kommersiella fusionskraftverk.

"Vi har vetat under en tid att det finns ett samband mellan kärnelektrondensitet, elektron-jonkollisioner och partikelrörelse i plasma, " sa William &Marys Saskia Mordijck, som ledde det multiinstitutionella forskarteamet vid DIII-D. "Tyvärr, hittills har forskning inte kunnat reda ut det förhållandet från de andra komponenterna som påverkar elektrondensitetsmönster."

Mordijck, en biträdande professor vid William &Marys institution för fysik, konstaterar att utöver den internationella insatsen vid DIII-D, W&M har bidragit till liknande experiment inom EU.

DIII-D, som General Atomics driver som en nationell användaranläggning för Department of Energy's Office of Science, är den största forskningsanläggningen för magnetisk fusion i landet. Det är värd for forskare från mer än 100 institutioner över hela världen, inklusive 40 universitet. Hjärtat i anläggningen är en tokamak som använder kraftfulla elektromagneter för att producera en munkformad magnetisk behållare för inneslutning av en fusionsplasma. I DIII-D, plasmatemperaturer som är mer än 10 gånger varmare än solen uppnås rutinmässigt. Vid så extremt höga temperaturer, väteisotoper kan smälta samman och frigöra energi.

I en tokamak, fusionskraften bestäms av temperaturen, plasmadensitet och inneslutningstid. Fusion vinst, uttryckt som symbolen Q, är förhållandet mellan fusionseffekt och ineffekt som krävs för att upprätthålla reaktionen och är således en nyckelindikator på enhetens effektivitet. Vid Q =1, brytpunkten har nåtts, men på grund av värmeförluster, självförsörjande plasma uppnås inte förrän omkring Q =5. Nuvarande system har uppnått extrapolerade värden på Q =1,2. ITER-experimentet under uppbyggnad i Frankrike förväntas uppnå Q =10, men kommersiella fusionskraftverk kommer sannolikt att behöva uppnå ännu högre Q-värden för att vara ekonomiska.

Eftersom elektrontätheten i plasmakärnan är en kritisk del av fusionsvinsten, forskare utvecklar metoder för att uppnå högre toppdensiteter. Ett tidigare identifierat tillvägagångssätt som visar lovande är att minska elektron-jonkollisioner, en parameter som plasmafysiker kallar kollisionalitet. Dock, tidigare forskning kunde inte fastställa det exakta förhållandet mellan täthetstoppar och kollisioner, inte heller isolera effekten från andra egenskaper hos plasmat.

DIII-D-teamet genomförde en serie experiment där endast plasmakollisionalitet varierades medan andra parametrar hölls konstanta. Resultaten visade att låg kollision förbättrar elektrondensitetens topp genom bildandet av en inre barriär för partikelrörelse genom plasman, vilket i sin tur förändrade plasmaturbulensen. Tidigare arbete har föreslagit att effekten kan bero på plasmauppvärmning genom insprutning av neutral strål, men experimenten visar att det var kopplat till partikeltransport och turbulens.

"Detta arbete förbättrar avsevärt förståelsen av elektronbeteende i plasmakärnan, vilket är ett område av stor betydelse för att öka fusionsvinsten, sa David Hill, direktör för DIII-D. "Detta är ytterligare ett viktigt steg mot praktisk fusionsenergi i framtida kommersiella reaktorer."