Fysikern Roscoe White med figurer från sin tidning. Kredit:Elle Starkman/PPPL Office of Communications; Collage av Kiran Sidarsanan
Utredning av ett möjligen kritiskt problem med vridna magnetiska stellaratorer, som lovar kandidater att fungera som modeller för en amerikansk fusionspilotanläggning, har klargjort den potentiella effekten av en till stor del förbisedd oro.
Fyndet vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) visar hur periodiska förändringar i styrkan och formen av stellaratormagnetiska fält kan, under vissa teoretiska förhållanden, underlätta den snabba förlusten av inneslutning av högenergiplasmapartiklar som underblåser fusionsreaktioner.
Hög energi
"Om du vill göra kärnfusion måste du ha hög energi," sa PPPL senior fysiker Roscoe White, huvudförfattare till en Physics of Plasmas tidning som redaktörer har valt som en "scilight" eller vetenskapshöjdpunkt.
Hans papper identifierar en ny typ av energisk partikelförlust, säger Felix Parra Diaz, chef för teoriavdelningen vid PPPL. "Studier har hittills fokuserat på att kontrollera andra typer av energiförluster som är dominerande, och vi försöker nu minska förlusterna av energipartiklar ännu mer," sa Parra Diaz. "Papperet som dessa fynd är baserade på identifierar en mekanism som vi måste inkludera när vi utformar den optimala formen av stellaratormagnetfält.
"Även om den här mekanismen ingår i våra mer detaljerade analyser av stellaratorkonfigurationer bland många andra effekter, hade den inte pekats ut som ett problem som behövde åtgärdas. Vi kan inte använda detaljerad analys för stellaratoroptimering på grund av dess beräkningskostnad. Det är därför Roscoes papper är viktig:Den identifierar problemet och föreslår ett effektivt sätt att utvärdera och optimera stellaratorformen för att undvika det. Detta ger oss möjlighet att utveckla stellaratorkonfigurationer som är ännu bättre än befintliga."
Mekanismerna som skapar detta problem är vad som kallas "resonanser", som beskriver de banor som partiklarna följer när de kretsar kring magnetfälten som löper runt maskinen. När partiklar är resonans återvänder de upprepade gånger till den punkt de startade från. Sådana returer tillåter instabiliteter, eller lägen, i den heta, laddade plasmagasen att skapa vad som kallas öar i banornas väg, vilket gör att partiklarna och deras energi kan fly undan instängdheten.
White använde en höghastighets programvarukod för att söka efter instabiliteter som kallas "Alfven-lägen" som kan skapa öar i munkformade tokamaks, som är mer utbredda experimentella fusionsanläggningar. "Så jag tänkte, 'okej', jag ska gå och titta på stellaratorer också," sa han. Och i stellaratorer, "något helt annat händer", fann han.
Lägen behövs inte
"Det visar sig att i en stellarator behöver du inte lägen," sa White. "I stellaratorer, när antalet periodiska förändringar i omloppsbanan för resonanta högenergipartiklar matchar antalet periodiska förändringar i magnetfältet, kan partikelförluster uppstå", sa han. "Det är som att trycka ett barn på en gunga. När du vill att barnet ska gunga högre och högre, varje gång gungan kommer tillbaka till dig trycker du på den igen, och det är en knuff i resonans", sa han.
För White, "Problemet hittills är att människor har fokuserat på formen av magnetfältet. Men partiklar som kretsar runt hög energi driver över fältet, så du måste också överväga partikelbanorna."
Framåt, sade han, "att se om partikelresonanser i stellaratorer matchar magnetfältsperioden måste ingå i designvillkor för att hitta en bra reaktor." + Utforska vidare
