Föreställ dig ett flygplan som bara kan klättra till en eller två höjder efter att ha lyft. Den begränsningen skulle likna situationen för forskare som försöker undvika instabilitet som begränsar vägen till rengöring, säker och riklig fusionsenergi i munkformade tokamakanläggningar. Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och General Atomics (GA) har nu publicerat en banbrytande förklaring av denna tokamak-begränsning och hur den kan övervinnas.

Toroidal, eller munkformad, tokamaks är benägna att få intensiva värmeutbrott och partiklar, kallas kantlokaliserade lägen (ELM). Dessa ELM kan skada reaktorväggarna och måste kontrolleras för att utveckla tillförlitlig fusionskraft. Lyckligtvis, forskare har lärt sig att tämja dessa ELM:er genom att applicera spiralformade, krusade magnetiska fält på ytan av plasman som driver fusionsreaktioner. Dock, tämningen av ELM kräver mycket specifika förhållanden som begränsar den operativa flexibiliteten för tokamakreaktorer.

ELM -undertryckande

Nu, forskare vid PPPL och GA har utvecklat en modell som, för första gången, återger exakt villkoren för ELM-undertryckning i DIII-D National Fusion Facility som GA driver för DOE. Modellen förutsäger under vilka förhållanden ELM -undertryckande bör sträcka sig över ett större antal driftsförhållanden i tokamak än vad man tidigare trodde var möjligt. Arbetet presenterar viktiga förutsägelser för hur man kan optimera effektiviteten av ELM-undertryckning i ITER, den massiva internationella fusionsenheten under uppbyggnad i södra Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft.

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma - det varma, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum - för att generera massiva mängder energi. Tokamaks är de mest använda enheterna av forskare som försöker replikera fusion som en förnybar, kolfri källa till praktiskt taget obegränsad energi för att generera el.

PPPL -fysiker Qiming Hu och Raffi Nazikian är huvudförfattare till ett papper som beskriver modellen i Fysiska granskningsbrev . De noterar att under normala förhållanden kan det krusade magnetfältet endast undertrycka ELM för mycket exakta värden på plasmaströmmen som producerar de magnetfält som begränsar plasma. Detta skapar ett problem eftersom tokamak-reaktorer måste arbeta över ett brett spektrum av plasmaström för att utforska och optimera de förhållanden som krävs för att generera fusionskraft.

Modifiera magnetiska krusningar

Författarna visar hur, genom att modifiera strukturen av de spiralformade magnetiska krusningarna som appliceras på plasman, ELM bör elimineras över ett bredare plasmaström med förbättrad generation av fusionskraft. Hu sa att han tror att resultaten kan ge ITER den breda operativa flexibilitet som den kommer att behöva för att visa att fusionsenergin är praktisk. "Denna modell kan ha betydande konsekvenser för att undertrycka ELM i ITER, " han sa.

Verkligen, "Vad vi har gjort är att exakt förutse när vi kan uppnå ELM -undertryckning över större plasmaströmmar, "sa nazikian, som övervakar PPPL-forskning om tokamaks. "Genom att försöka förstå några konstiga resultat vi såg på DIII-D, vi räknade ut nyckelfysiken som styr intervallet för ELM -undertryckning som kan uppnås med dessa spiralformade magnetiska fält. Vi gick sedan tillbaka och kom på en metod som kunde producera bredare driftsfönster för ELM-undertryckning mer rutinmässigt i DIII-D och ITER."

Förbättrad tokamak -operation

Resultaten öppnar dörren till förbättrad tokamak -drift. "Detta arbete beskriver en väg för att utöka det operativa utrymmet för att kontrollera kantinstabilitet i tokamaks genom att modifiera strukturen på krusningarna, "sade Carlos Paz-Soldan, en GA-forskare och en medförfattare till tidningen. "Vi ser fram emot att testa dessa förutsägelser med våra uppgraderade fältspolar som är planerade för DIII-D om några år."

Återgå till flygplanets analogi, "Om du bara kunde flyga på en eller två olika höjder, resor skulle vara mycket begränsade, "sa PPPL -fysikern Brian Grierson, medförfattare till tidningen. "Att fixa begränsningen skulle göra det möjligt för planet att flyga över ett brett spektrum av höjder för att optimera sin flygbana och uppfylla sitt uppdrag." På samma sätt, föreliggande dokument beskriver en metod som förutses utöka fusionsreaktorernas möjligheter att fungera fria från ELM som kan skada anläggningarna och hindra utvecklingen av tokamaker för fusionsenergi.