Kredit:CC0 Public Domain
Forskare har upptäckt den anmärkningsvärda effekten av att vända på en standardmetod för att bekämpa ett viktigt hinder för att producera fusionsenergi på jorden. Teoretiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har föreslagit att man gör precis motsatsen till den föreskrivna proceduren för att kraftigt förbättra framtida resultat.
Riva hål i plasma
Problemet, som kallas "locked tearing modes", uppstår i alla dagens tokamaks, munkformade magnetiska anläggningar utformade för att skapa och kontrollera den praktiskt taget obegränsade fusionskraften som driver solen och stjärnorna. De instabilitetsorsakade lägena roterar med den heta, laddade plasman - det fjärde tillståndet av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som driver fusionsreaktioner - och rivhål som kallas öar i magnetfältet som begränsar gasen, vilket tillåter läckage av nyckelvärme .
Dessa öar växer sig större när lägena slutar rotera och låser sig på plats, en tillväxthastighet som ökar värmeförlusten, minskar plasmans prestanda och kan orsaka störningar som gör att energin som lagras i plasman slår emot och skadar tokamakens innerväggar. För att undvika sådana risker strålar forskare nu mikrovågor in i plasman för att stabilisera lägena innan de kan låsa.
PPPL-resultaten tyder dock starkt på att forskare stabiliserar lägena i stora, nästa generations tokamaks efter att de har låsts. I dagens tokamaks, "låses dessa lägen snabbare än folk hade trott och det blir mycket svårare att stabilisera dem medan de fortfarande roterar", säger Richard Nies, doktorand vid Princeton-programmet i plasmafysik och huvudförfattare till en Nukleär fusion papper som beskriver de överraskande fynden.
En annan nackdel, tillade han, är att "dessa mikrovågor ökar sin bredd genom att bryta bort plasman, vilket gör stabiliseringen av läget medan det roterar ännu mindre effektivt idag, och detta problem har blivit mer förvärrat under de senaste åren."
Till dessa problem hör det faktum att i stora framtida tokamaks som ITER, den internationella anläggningen under uppbyggnad i södra Frankrike, "plasman är så enorm att rotationen är mycket långsammare och dessa lägen låser sig ganska snabbt när de fortfarande är ganska små ", sa Nies. "Så det kommer att vara mycket effektivare att byta upp stabiliseringspaketet i stora framtida tokamaks och låta dem först låsa och sedan stabilisera dem."
Den vändningen kan underlätta fusionsprocessen, som forskare runt om i världen försöker reproducera. Processen kombinerar lätta element i form av plasma för att frigöra enorma mängder energi. "Detta ger ett annat sätt att se på saker och kan vara ett mycket mer effektivt sätt att hantera problemet", säger Allan Reiman, en framstående forskare och medförfattare till artikeln. "Människor borde ta möjligheten att tillåta öarna att låsa sig på större allvar", sa Reiman.
Nära att störa
Det är osannolikt att den rekommenderade tekniken kommer att fungera i dagens tokamak eftersom öar med rivläge växer så snabbt och är så stora när de låser in dessa anläggningar att plasman är nära att störa när den väl har låst sig. Det är därför forskare nu måste använda stora mängder kraft för att stabilisera lägena till priset av att begränsa fusionseffekten. Däremot lämnar den långsamma tillväxten av öar i nästa generations tokamaks "en lång väg kvar innan du har en störning så det finns mycket tid att stabilisera läget", sa Nies.
När lägena i framtida tokamaks är låsta på plats kan mikrovågor rikta in dem direkt istället för att stabilisera dem endast när de roterar förbi mikrovågsstrålen i nuvarande anläggningar. "Dessa teoretiska beräkningar visar effektiviteten i det vi föreslår", påpekade Nies.
Vad som nu behövs är experiment för att testa det föreslagna handlingssättet, sa han. "Vi skulle inte vilja slå på ITER och först då ta reda på vilken strategi som fungerar. Det finns verkliga möjligheter att utforska fysiken som vi tar upp i nuvarande enheter." + Utforska vidare
