Processen som är utformad för att skörda fusionsenergin som driver solen och stjärnorna på jorden kan ibland luras. Forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasmafysiklaboratorium har härlett och visat lite lätthandskallad "kvasisymmetri" som kan påskynda utvecklingen av fusionsenergi som ett säkert, ren och praktiskt taget obegränsad energikälla för elproduktion.

Fusionsreaktioner kombinerar ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum - för att generera massiva mängder energi. Forskare runt om i världen försöker reproducera processen i munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaker som värmer plasma till miljongrader och begränsar det i symmetriska magnetfält som produceras av spolar för att skapa fusionsreaktioner.

Avgörande fråga

En avgörande fråga för dessa ansträngningar är att upprätthålla den snabba rotationen av den munkformade plasma som virvlar in i en tokamak. Dock, små magnetiska fältförvrängningar, eller krusningar, orsakad av feljustering av magnetfältspolarna, kan sakta ner plasma -rörelsen, gör det mer instabilt. Spolens felinriktningar och resulterande fältkrusningar är små, så liten som 1 del av 10, 000 delar av fältet, men de kan ha en betydande inverkan.

Upprätthålla stabilitet i framtida tokamaks som ITER, den internationella anläggningen som går upp i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionsenergi, kommer att vara avgörande för att skörda energin för att generera el. Ett sätt att minimera påverkan av fältkrusningarna är att lägga till ytterligare magneter för att avbryta, eller läka, effekten av magnetfältfel. Dock, fältkrusningar kan aldrig avbrytas helt och det har inte funnits någon optimal metod för att mildra deras effekter förrän nu.

Den nyupptäckta metoden kräver att de virvlande plasmapartiklarna luras genom att avbryta magnetfältfelen längs vägen de färdas. "Ett sätt att bevara rotation samtidigt som det ger stabilitet är att ändra magnetfältets form så att partiklarna luras att tro att de inte rör sig i ett krusat magnetfält, "sa PPPL-fysikern Jong-Kyu Park, huvudförfattare till ett papper i Fysiska granskningsbrev (PRL) som föreslår en lösning. "Vi måste göra 3D-fältet inuti plasman kvasymmetriskt för att lura partiklarna att bete sig som om de inte påverkades av fälten, "Sa Park.

Kvasisymmetri

Kvasisymmetri, en form av magnetfältssymmetri introducerad av fysiker som studerar vridna magnetiska inneslutningssystem som kallas stellaratorer, kan användas för att minimera de negativa effekterna av 3D -fält i tokamaks. Sådan minimering kan förbättra både energinhållandet och stabiliteten hos plasma genom att öka dess rotationsflöde.

"Om du kan ändra dessa 3D -fält för att minska partiklarnas tendens att glida bort från där de började, då kan vi behålla den naturliga plasmarotationen och inneslutningen av partiklar och värme, "sa PPPL -fysikern Raffi Nazikian, medförfattare till tidningen.

Park och kollegor har visat användningen av kvasi-symmetri för att för det mesta ofarliga felfältkrusningarna i tokamaks. Tester på DIII-D National Fusion Facility at General Atomics (GA) i San Diego och den koreanska Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR) anläggningen i Sydkorea har visat positiva resultat. Processen "ger en pålitlig väg för omfattande felfältoptimering vid fusionsbrännande plasma, "enligt tidningen.

Även om sådana optimeringar kommer att vara avgörande, forskare använder vanligtvis magnetfältskrockar för att klara andra problem. Till exempel, på DIII-D, forskare har använt speciella spolar för att minska eller eliminera kantlokaliserade lägen (ELM) - explosiva värmeskador som kan skada tokamaks inre.

Viktiga exempel

Sådana fall är det viktigaste exemplet på god användning av krusningar och de nya fynden markerar ett genombrott i hanteringen av de dåliga. "Jong-Kyu har tagit algoritmerna för att skräddarsy tokamaks besvärliga tredimensionella magnetfält till en ny nivå, "sade Carlos Paz-Soldan, medförfattare till tidningen som DIII-D-fysiker och nu docent vid Columbia University. "Detta ramverk kommer säkert att ligga till grund för framtida kontrollstrategier för dessa områden. "Sa Paz-Soldan.

Forskare arbetar också aktivt med konceptet kvasi-symmetri för att optimera utformningen av stellaratorfusionsanläggningar som i själva verket fungerar med 3D-fält. Konceptet har visat framgång för att minimera förlusten av värme och partiklar i stellaratorer, ett långvarigt problem med de krusformade anläggningarna som använder en uppsättning komplexa tvinnade spolar som spiralformar som ränder på en godisrör för att producera magnetfält.

Stellaratorarbetet illustrerar den omfattande tillämpningen av kvasi-symmetri i fusionsforskning. Nästa steg, sa Park, blir att tillämpa konceptet på ITER, "så att vi kan göra ett bra jobb för att korrigera felfälten i den tokamaken."