Forskare har hittat ett nytt sätt att förhindra irriterande magnetiska bubblor i plasma från att störa fusionsreaktioner - vilket ger ett potentiellt sätt att förbättra prestanda för fusionsenergianordningar. Och det kommer från att hantera radiofrekvens (RF) vågor för att stabilisera de magnetiska bubblorna, som kan expandera och skapa störningar som kan begränsa prestanda för ITER, den internationella anläggning som byggs i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft.

Magnetiska öar

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat den nya modellen för att kontrollera dessa magnetiska bubblor, eller öar. Den nya metoden modifierar standardtekniken för att stadigt avsätta radio (RF) strålar i plasman för att stabilisera öarna - en teknik som visar sig ineffektiv när bredden på en ö är liten jämfört med den karakteristiska storleken på regionen över vilken RF -strålen avsätts. dess makt.

Denna region betecknar "dämpningslängd, "området över vilket RF -effekten normalt skulle deponeras i avsaknad av olinjär återkoppling. RF -effektens effektivitet kan minskas kraftigt när storleken på regionen är större än öns bredd - ett tillstånd som kallas" låg -dämpning " -som mycket av kraften läcker sedan från ön.

Tokamaks, munkformade fusionsanläggningar som kan uppleva sådana problem, är de mest använda enheterna av forskare runt om i världen som försöker producera och kontrollera fusionsreaktioner för att ge en praktiskt taget outtömlig tillförsel av säker och ren ström för att generera el. Sådana reaktioner kombinerar ljuselement i form av plasma - materiens tillstånd som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum - för att generera de massiva mängder energi som driver solen och stjärnorna.

Att övervinna problemet

Den nya modellen förutspår att avsättning av strålarna i pulser snarare än strömmar i steady state kan övervinna läckageproblemet, sa Suying Jin, en doktorand i Princeton -programmet i plasmafysik baserat på PPPL och huvudförfattare till en uppsats som beskriver metoden i Plasmas fysik . "Pulserande kan också uppnå ökad stabilisering i fall med hög dämpning för samma genomsnittliga effekt, " Hon sa.

För att denna process ska fungera, "Pulsen måste göras med en hastighet som varken är för snabb eller för långsam, "sa hon." Denna söta plats bör överensstämma med den hastighet som värmen försvinner från ön genom diffusion. "

Den nya modellen bygger på tidigare arbete av Jins medförfattare och rådgivare Allan Reiman, en framstående forskare vid PPPL, och professor Nat Fisch, chef för programmet i plasmafysik vid Princeton University och associerad direktör för akademiska frågor vid PPPL. Deras forskning ger den olinjära ramen för studier av RF -effektavlagring för att stabilisera magnetiska öar.

"Betydelsen av Suyings arbete, "Sa Reiman, "är att det utvidgar avsevärt de verktyg som kan användas för vad som nu erkänns som det kanske viktigaste problemet som konfronteras med ekonomisk fusion med hjälp av tokamakmetoden. Tokamaker plågas av dessa naturligt uppkomna och instabila öar, vilket leder till katastrofal och plötslig förlust av plasma. "

Fisch tillade:"Suyings arbete föreslår inte bara nya kontrollmetoder; hennes identifiering av dessa nyligen förutsagda effekter kan tvinga oss att omvärdera tidigare experimentella fynd där dessa effekter kan ha spelat en ovärderad roll. Hennes arbete motiverar nu specifika experiment som kan klargöra mekanismerna i spelet och pekar på exakt hur man bäst kan kontrollera dessa katastrofala instabiliteter. "

Original modell

Den ursprungliga modellen för RF -deponering visade att den höjer temperaturen och driver ström i mitten av en ö för att den inte ska växa. Olinjär återkoppling går sedan in mellan effektavsättningen och förändringar i öns temperatur som möjliggör kraftigt förbättrad stabilisering. Reglerande för dessa temperaturförändringar är spridning av värme från plasma vid kanten av ön.

Dock, i högdämpande regimer, där dämpningslängden är mindre än öns storlek, Denna samma olinjära effekt kan skapa ett problem som kallas "skuggning" under avlagring vid steady state som får RF -strålen att ta slut innan den når öns centrum.

"Vi undersökte först pulserade RF -system för att lösa skuggproblemet, "Sa Jin." Men det visade sig att i högdämpande regimer orsakar olinjär återkoppling faktiskt att pulsen förvärrar skuggningen, och strålen tar slut ännu mer. Så vi vred på problemet och fann att den olinjära effekten sedan kan orsaka pulserande minskning av strömmen som läcker ut från ön i lågdämpande scenarier. "

Dessa förutsagda trender lämpar sig naturligt för experimentell verifiering, Sa Jin. "Sådana experiment, "noterade hon, "skulle syfta till att visa att pulserande ökar temperaturen på en ö tills optimal plasmastabilisering uppnås."