Att föra solens kraft till jorden kräver sund teori, bra teknik, och lite finess. Processen innebär fångst laddade, ultrahet gas känd som plasma så att dess partiklar kan smälta samman och frigöra enorma mängder energi. De mest använda faciliteterna för denna process är munkformade tokamaks som håller plasma på plats med starka magneter som är exakt formade och placerade. Men fel i utformningen eller placeringen av dessa magneter kan leda till dålig inneslutning och förlust av plasma, stänga av fusionsreaktioner.

Nu, en internationell grupp forskare ledda av fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat en teknik som förutsäger hur tokamaks kan reagera på dessa oönskade magnetiska fel. Dessa prognoser kan hjälpa ingenjörer att designa fusionsanläggningar som effektivt skapar en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren fusionsenergi för att generera elektricitet.

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma – det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – och genererar enorma mängder energi i stjärnorna. Forskare strävar efter att reproducera och kontrollera denna process på jorden.

Teamet formulerade en regel känd som en skalningslag som hjälper till att härleda egenskaperna hos framtida tokamak från nuvarande enheter. Lagen härrör till stor del från tre års experiment med DIII-D National Fusion Facility som General Atomics driver för DOE i San Diego. Forskare använde sig också av en databas med felfältseffekter som underhålls av ITER:s internationella Tokamak Physics Activity-grupp, som samordnar fusionsforskning runt om i världen.

Nu behövs data från ytterligare enheter med en mängd olika storlekar för att öka förtroendet för att extrapolera skalningslagen för att förutsäga hur stora felfält kan vara innan de störs i ITER, den multinationella tokamak som byggs i Frankrike för att visa fusionsenergins lönsamhet.

Bildande av felfält

Oegentligheter i utformningen eller placeringen av en tokamaks magneter kan ge felfält som utlöser en störning i plasma, vilket gör att den plötsligt flyr från magnetfälten och frigör massor av energi. "Frågan är hur stort ett felfält ITER kan tolerera utan att störa, sa Nikolas Logan, PPPL-fysiker och huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Kärnfusion . "Vi vill förhindra störningar i ITER eftersom de både kan störa fusionsreaktioner och skada väggarna."

Eftersom ITER är under konstruktion, forskarna använde en mash-up av två datorkoder för att modellera effekterna av felfält på plasma för tokamaks i Sydkorea, Kina, Storbritannien, och andra länder, stärka felen tills plasman stördes. Forskarna hoppades hitta mönster som gör det möjligt för dem att formulera en enkel regel som skulle hjälpa till att göra gissningar om framtida felfältsstörningar i tokamaks som byggs.

De kombinerade koderna modellerade plasman mer exakt än varje enskild kod kunde göra på egen hand. TM1 -koden som utvecklats av Tysklands Max Planck Institute for Plasma Physics löser ekvationer som modellerar kaotiskt plasmabeteende i cylinderformer, medan koden Ideal Perturbed Equilibrium Code (IPEC) utvecklad vid PPPL modellerar plasma i tokamakform. "Genom att kombinera dessa koder, vi kunde simulera ett brett spektrum av förhållanden som kunde inträffa i en mängd olika enheter, inklusive ITER, " sa PPPL fysiker Qiming Hu, en av tidningens författare. "Det är viktigt att få korrekta prognoser för ITER eftersom ingen nuvarande maskin är den storleken."

"Detta arbete utökar vår kunskap om effekterna av felfält i fusionsenheter, sa Raffi Nazikian, chef för avdelningen ITER och Tokamak vid PPPL. "Kombinationen av numerisk och experimentell analys ger en övertygande grund för att bedöma vikten av felfält i ITER och framtida reaktorer."

Nästa steg

Logan och Hu hoppas kunna samla in mer information från tokamak -experiment för att göra skallagen mer exakt, gör det möjligt för den att förutsäga plasmaprestanda i både kärn- och kantområdena av plasmat. "Det här är inte en larmklocka, " sa Logan. "Det hjälper bara fysiker och ingenjörer att veta hur noggrant de behöver överväga potentiella felfält innan de sätter mycket kraft i ITER."

Samarbetspartners inkluderade forskare från General Atomics, Institutet för plasmafysik vid den tjeckiska vetenskapsakademin, Institutet för plasmafysik från den kinesiska vetenskapsakademin, Koreas Ulsan National Institute of Science and Technology, Storbritanniens Culham Center of Fusion Energy, Italiens Consorzio RFX, Tysklands Max Planck-institut för plasmafysik, och Plasma Science and Fusion Center vid Massachusetts Institute of Technology.