Ett av de viktigaste optimeringsmålen som ligger bakom Wendelstein 7-X-fusionsenheten vid Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) i Greifswald har nu bekräftats. En analys av IPP -forskare i tidskriften Natur visar:I den optimerade magnetfältburen, energiförlusterna i plasma reduceras på önskat sätt. Wendelstein 7-X är avsedd att bevisa att nackdelarna med tidigare stellaratorer kan övervinnas och att enheter av stellaratortyp är lämpliga för kraftverk.

Den optimerade Wendelstein 7-X-stjärnan, som togs i drift för fem år sedan, är avsedd att visa att fusionsanläggningar av stellarator-typ är lämpliga för kraftverk. Magnetfältet, som omsluter den heta plasma och håller den borta från kärlväggarna, planerades med stor teoretisk och beräknande ansträngning på ett sådant sätt att nackdelarna med tidigare stellaratorer undviks. Ett av de viktigaste målen var att minska plasmaets energiförluster, som orsakas av magnetfältets krusning. Detta är ansvarigt för att plasmapartiklar driver utåt och går förlorade trots att de är bundna till magnetfältlinjerna.

Till skillnad från de konkurrerande enheterna av tokamak-typ, för vilken denna så kallade "nyklassiska" energi och partikelförlust inte är ett stort problem, det är en allvarlig svaghet hos konventionella stellaratorer. Det gör att förlusterna ökar så mycket med stigande plasmatemperatur att ett kraftverk konstruerat på denna grund skulle vara mycket stort och därmed mycket dyrt.

I tokamaks, å andra sidan - tack vare deras symmetriska form - är förlusterna på grund av magnetfältets krusning bara små. Här, energiförlusterna bestäms huvudsakligen av små virvelrörelser i plasma, av turbulens - som också läggs till som en förlustkanal i stellaratorer. Därför, för att komma ikapp de goda inneslutningsegenskaperna hos tokamakerna, att sänka de neoklassiska förlusterna är en viktig uppgift för stellaratoroptimering. Följaktligen, magnetfältet i Wendelstein 7-X var utformat för att minimera dessa förluster.

I en detaljerad analys av de experimentella resultaten av Wendelstein 7-X, forskare under ledning av Dr Craig Beidler från IPP:s Stellarator Theory Division har nu undersökt om denna optimering leder till önskad effekt. Med hittills tillgängliga uppvärmningsanordningar, Wendelstein 7-X har redan kunnat generera högtemperaturplasma och satt världens rekord för "fusionsprodukten" vid hög temperatur. Denna produkt av temperatur, plasmadensitet och energinhållningstid indikerar hur nära du kommer till värdena för en brinnande plasma.

En sådan rekordplasma har nu analyserats i detalj. Vid höga plasmatemperaturer och låga turbulenta förluster, de nyklassiska förlusterna i energibalansen kunde väl upptäckas här:de stod för 30 procent av värmeeffekten, en betydande del av energibalansen.

Effekten av neoklassisk optimering av Wendelstein 7-X visas nu genom ett tankeexperiment:Man antog att samma plasmavärden och profiler som ledde till rekordresultatet i Wendelstein 7-X också uppnåddes i anläggningar med ett mindre optimerat magnetfält . Sedan beräknades de nyklassiska förluster som kan förväntas där - med ett tydligt resultat:de skulle vara större än den ingående värmeeffekten, vilket är en fysisk omöjlighet. "Detta visar, säger professor Per Helander, chef för Stellarator Theory Division, "att plasmaprofilerna som observerats i Wendelstein 7-X endast är tänkbara i magnetfält med låga neoklassiska förluster. Omvänt, detta bevisar att optimering av Wendelsteins magnetfält framgångsrikt sänkte de neoklassiska förlusterna ".

Dock, plasmautsläppet har hittills bara varit korta. För att testa Wendelstein -konceptets prestanda vid kontinuerlig drift, en vattenkyld väggbeklädnad installeras för närvarande. Utrustad på detta sätt, forskarna kommer gradvis att arbeta sig upp till 30 minuter långa plasma. Då kommer det att vara möjligt att kontrollera om Wendelstein 7-X också kan uppfylla sina optimeringsmål i kontinuerlig drift-den största fördelen med stellatorerna.

Bakgrund

Fusionsforskningens syfte är att utveckla ett klimat- och miljövänligt kraftverk. Liknar solen, det är att generera energi från sammansmältningen av atomkärnor. Eftersom fusionsbranden bara antänds vid temperaturer över 100 miljoner grader, bränslet-en vätgasplasma med låg densitet-får inte komma i kontakt med kalla kärlväggar. Hålls av magnetfält, det flyter nästan kontaktfritt inuti en vakuumkammare.

Magnetburen i Wendelstein 7-X skapas av en ring med 50 supraledande magnetiska spolar. Deras speciella former är resultatet av sofistikerade optimeringsberäkningar. Med deras hjälp, kvaliteten på plasmainstängning i en stellarator är att nå nivån på konkurrerande anläggningar av tokamak-typ.