Tänk dig stark vind som blåser mot ett träd tills det har vält ner. Sådan åtgärd skulle efterlikna processen som gör att skadliga värmesprängningar som kallas kantlokaliserade lägen (ELM) blossar upp i fusionsanläggningar som kallas tokamaks, som forskare använder för att på jorden utveckla fusionsenergin som driver solen och stjärnorna. Sådana värmesprängningar uppstår normalt när trycket vid kanten av den heta plasmagasen som driver fusionsreaktioner når en topp, får värme att bryta ut mot tokamaks väggar, ungefär som ett träd som slutligen välter i en växande vind.

Dock, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) fann nyligen att värmeutbrott ibland kan inträffa under återhämtningen från utbrott – vilket ger ny insikt om vad som utlöser utbrotten. Resultaten, baserat på data som samlats in från tidigare experiment på DIII-D National Fusion Facility som General Atomics driver för DOE i San Diego, Kalifornien, kan hjälpa till att tämja de potentiellt skadliga processerna.

Nätverk av vågor

"Att sätta ihop prickarna, vi upptäckte att ett nätverk av interagerande vågor plötsligt spelar en roll i ELM-processen under återhämtning, sa Julien Dominski, en PPPL-fysiker och huvudförfattare till en artikel som beskriver resultaten i Plasmafysik och kontrollerad fusion . "Dessa vågor går samman och utbyter plötsligt energi, sa Dominski, "som får 'piedestalen' vid kanten av plasman att krascha och släppa ut värmeskurar."

Detta nätverk, som består av triader av vågor, är nyckeln till triggningen, sa Dominski. "Ibland kan nätverket bli upphetsat utan att orsaka den plötsliga kraschen, ", sa han. "Detta gjorde det möjligt för oss att undersöka fysiken som styr denna nya bild."

Fynden växer från ansträngningar att reproducera fusionsreaktioner som kombinerar lätta element i form av plasma – materiens tillstånd som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum – för att generera enorma mängder energi i solen och stjärnor. Tokamaks är de mest populära enheterna som forskare runt om i världen använder i experiment för att fånga och kontrollera fusionsenergi, i hopp om att skapa en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera el.

Framväxande bild

"De nya rönen är en framväxande bild för utlösningsmekanismen för ELM, sade Ahmed Diallo, en PPPL-fysiker och medförfattare till uppsatsen. "Att upptäcka detta nätverk öppnar ett nytt kapitel i studien av ELM."

Sammanfallande med dessa nätverk, fysikerna fann, är störningar vid kanten av plasmat orsakade av en anordning som kallas en neutral strålinjektor (NBI) som används för att värma och bränsle plasma. Millisekundintervallen mellan NBI-störningar motsvarar intervallen mellan nätverkshändelser, märkte forskarna. "Att skapa den här kopplingen var spännande och gav oss en inblick i ett nytt sätt att trigga ELM, " sa författarna.

Forskarna siktar sedan på att genomföra experiment för att studera hur triggers för ELM kan variera och testa användningen av NBI-strålar för att kontrollera skurarna. Stöd för denna forskning kommer från DOE Office of Science.