Forskare som försöker föra till jorden fusionsenergin som driver solen och stjärnorna använder radiofrekvensvågor (RF) - samma vågor som för in radio och tv i hemmen - för att värma upp och driva ström i plasman som driver fusionsreaktioner. Forskare har nu utvecklat ett sätt att sätta vägen för att mäta vågorna som kan användas för att validera förutsägelser om deras påverkan, sätter scenen för förbättrade framtida experiment som kan resultera i att energi från fusion till jorden.

Potentiellt genombrott

Det potentiella genombrottet, ledd av forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), kan leda till uppföljande experiment på National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U), flaggskeppsfusionsexperimentet vid PPPL som genomgår reparation, såväl som andra fusionsanläggningar runt om i världen. "Om vår metod visar sig fungera skulle det vara ett mycket användbart verktyg för många fusionsreaktorer, sa Grant Rutherford, en förstaårsstudent vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) och huvudförfattare till en uppsats i Granskning av vetenskapliga instrument att han skrev som Brown University DOE Science Undergraduate Laboratory Intern (SULI) vid PPPL.

Nyckeln till att förutsäga effekten av RF-vågor är att mäta fluktuationerna, eller gungor, de skapar i tätheten av fusionsplasma. "När vi har de fluktuationerna skulle vi kunna arbeta baklänges för att se vad de RF-fälten var som skapade fluktuationerna, " sa Rutherford.

Dock, den höga frekvensen av RF-vågor gör att svängningarna sker för snabbt för att kunna mätas. Så forskarna skapade en "slagvåg" genom att lansera två vågor med olika frekvenser, en teknik som producerade mätbara svängningar. "Om vi ​​kunde både skapa en fluktuation i taktvågen och mäta den, vi skulle ha ett nytt verktyg för att validera förutsägelser för RF-uppvärmning och strömdrift, " förklarade Rutherford.

Sådana mätningar skulle ha omfattande fördelar. Till exempel, de skulle kunna underlätta studier av prestandan hos RF-vågsställdon, sa PPPL fysiker Nicola Bertelli, en medförfattare till tidningen, och skulle kunna möjliggöra validering av RF-beräkningsverktyg som utvecklats inom hela fusionsgemenskapen. Dessutom, sa David Smith, en fysiker vid University of Wisconsin och medförfattare till tidningen, "Våra beräkningar ger en första bedömning av tekniken och motiverar uppföljande experiment på NSTX-U."

Fusionsreaktioner kombinerar lätta element i form av plasma— den heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum – för att generera enorma mängder energi. Att reproducera och kontrollera denna process på jorden skulle skapa en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet. Fusion kan bli en viktig bidragsgivare till USA:s övergång från fossila bränslen till en koldioxidsnål källa för elproduktion.

Testar tekniken

Rutherford och medförfattare testade sin teknik genom att skapa en syntetisk version av en 2D-stråleemissionsspektroskopi (BES) diagnostik för att utvärdera simulerade RF-injektioner i plasman. Deras mål var att förstå och förbättra förmågan att mäta RF-fältvågorna som skapar svängningarna.

Går framåt, "Vi hoppas att genom att öka vår förmåga att mäta, vi kommer att öka vår förmåga att förstå värme och nuvarande drivprocesser, men vi överlåter det till framtida arbete, " Sa Rutherford. Sådant arbete kan också visa om BES-diagnostiken som forskarna baserade sin modell på kunde mäta densitetssvängningarna i faktiska fusionsplasma, eller om någon annan diagnostik skulle göra det kritiska jobbet bättre.