Stellaratorer, vridna magnetiska enheter som syftar till att på jorden utnyttja fusionsenergin som driver solen och stjärnorna, har länge spelat andra fiol till mer allmänt använda munkformade anläggningar som kallas tokamaks. De komplexa vridna stellaratormagneterna har varit svåra att designa och har tidigare tillåtit större läckage av den superhöga värmen från fusionsreaktioner.

Nu forskare vid Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP), arbetar i samarbete med forskare som inkluderar US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har visat att Wendelstein 7-X (W7-X) enheten i Greifswald, Tyskland, den största och mest avancerade stellaratorn i världen, kan begränsa värme som når dubbelt så höga temperaturer som solens kärna.

Nyckelindikator

Ett diagnostiskt instrument som kallas XICS, huvudsakligen utformad, byggd och drivs av PPPL-fysikern Novimir Pablant i samarbete med IPP-fysikern Andreas Langenberg, är en nyckelindikator på en kraftig minskning av en typ av värmeförlust som kallas "neoklassisk transport" som historiskt sett har varit större hos klassiska stellaratorer än hos tokamaks. Orsak till den besvärliga transporten är frekventa kollisioner som slår upp uppvärmda partiklar ur deras banor när de virvlar runt magnetfältlinjerna som begränsar dem. Bidragande till transporten är drivor i partikelbanorna.

En färsk rapport om W7-X-fynd i Natur tidningen bekräftar framgången för designers ansträngningar att forma de intrikat vridna stellaratormagneterna för att minska neoklassisk transport. Första författare till artikeln var fysikern Craig Beidler från IPP Theory Division. "Det är verkligen spännande nyheter för fusion att den här designen har varit framgångsrik, sade Pablant, en medförfattare tillsammans med Langenberg av tidningen. "Det visar tydligt att den här typen av optimering kan göras."

David Gates, chef för Advanced Projects Department vid PPPL som övervakar laboratoriets stellaratorarbete, var också mycket entusiastisk. "Det har varit väldigt spännande för oss, på PPPL och alla andra amerikanska samarbetsinstitutioner, att vara en del av detta riktigt spännande experiment, " sa Gates. "Novis arbete har varit i centrum för detta fantastiska experimentella teams ansträngning. Jag är mycket tacksam mot våra tyska kollegor för att de så nådigt möjliggjorde vårt deltagande. "

Kolfri kraft

Fusionen som forskare försöker åstadkomma kombinerar lätta element i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor, eller joner, som utgör 99 procent av det synliga universum – för att generera enorma mängder energi. Att producera kontrollerad fusion på jorden skulle skapa ett praktiskt taget outtömligt utbud av säkra, rena, och kolfri kraftkälla för att generera elektricitet åt mänskligheten och tjäna som en viktig bidragsgivare till övergången från fossila bränslen.

Stellaratorer, byggdes först på 1950-talet under PPPL-grundaren Lyman Spitzer, kan fungera i ett stabilt tillstånd med liten risk för plasmastörningar som tokamaks möter. Dock, deras komplexitet och historia av relativt dålig värmeinneslutning har hållit dem tillbaka. Ett viktigt mål med den optimerade designen av W7-X, som producerade sin första plasma 2015, har varit att visa lämpligheten av en optimerad stellarator som ett eventuellt fusionskraftverk.

Resultat erhållna av XICS visar heta jontemperaturer som inte hade kunnat uppnås utan en kraftig minskning av neoklassisk transport. Dessa mätningar gjordes också av CXRS-diagnostiken byggd och driven av IPP, som ansågs vara lite mer exakta men inte kunde göras under alla förhållanden. De slutliga temperaturprofilerna i Natur rapporten togs från CXRS och stöddes av mätningar med XICS i liknande plasma.

"Extremt värdefullt"

"Utan XICS skulle vi förmodligen inte ha upptäckt denna [bra instängning] regim, sa Robert Wolf, chef för W7-X värme- och driftdivision och medförfattare till tidningen. "Vi behövde en lättillgänglig jontemperaturmätning och detta var extremt värdefullt."

Forskare genomförde ett tankeexperiment för att kontrollera vilken roll optimering spelade i instängningsresultaten. Experimentet fann att i en icke-optimerad stellarator skulle stor neoklassisk transport ha gjort de höga temperaturerna som registrerats på W7-X för den givna värmeeffekten omöjliga. "Detta visade att den optimerade formen av W7-X minskade den neoklassiska transporten och var nödvändig för prestanda som sågs i W7-X-experiment, ", sa Pablant. "Det var ett sätt att visa hur viktig optimeringen var."

Resultaten markerar ett steg mot att göra det möjligt för stellaratorer baserade på W7-X-designen att leda till en praktisk fusionsreaktor, han lade till. "Men att minska nyklassicistisk transport är inte det enda du behöver göra. Det finns en hel massa andra mål som måste visas, inklusive att köra stadigt och minska den turbulenta transporten." Att producera turbulent transport är krusningar och virvlar som rinner genom plasman som den andra huvudkällan till värmeförlust.

W7-X kommer att öppnas igen 2022 efter en treårig uppgradering för att installera ett vattenkylningssystem som kommer att förlänga fusionsexperiment och en förbättrad avledare som kommer att släppa ut högpresterande värme. Uppgraderingarna kommer att göra det möjligt för nästa steg i W7-X-forskarnas undersökning av optimerade stellarators värdighet att bli ritningar för kraftverk.