Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har förfinat användningen av magnetfält för att förbättra prestandan hos munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaks. Den förbättrade tekniken skyddar interna delar från skador på grund av instabiliteter som kallas "edge-localized modes" (ELM) och tillåter tokamaks att fungera längre utan att pausa.

"Vårt huvudsakliga resultat är att vi visade att vår teknik kan undertrycka ELM samtidigt som plasmaprestanda maximeras", säger Ricardo Shousha, en doktorand i plasmakontrollgruppen vid Princeton Universitys Mechanical and Aerospace Engineering Department som är ansluten till PPPL. Shousha är huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Physics of Plasmas .

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma - det varma, laddade tillståndet av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

Forskarna använde Korea Superconducting Tokamak Advanced Research-anläggningen (KSTAR) för att studera förhållanden under vilka plasmacentrum blir särskilt varmt och tätt. Detta önskvärda tillstånd, känt som H-mod, kan uppstå när det finns en skarp separation mellan mitten och den kallare kanten; forskare vill att plasman ska vara i H-läge eftersom den producerar mer effektiva fusionsreaktioner. Men eftersom temperaturen och densiteten i de två regionerna är så drastiskt olika, bildas ELM-instabilitet längs gränsen, ungefär som åskväder kan bildas där varma och kalla fronter möts. Dessa instabiliteter kan orsaka sprutor som liknar solflammor, gigantiska rapar av plasma som bryter ut från solens yta.

När dessa händelser inträffar i tokamaks kan de skada innerväggarna och komponenterna, vilket kräver att maskinen stängs av för reparation. Risken är ännu högre för ITER, den multinationella tokamak som byggs i Cadarache, Frankrike för att bevisa genomförbarheten av fusion som en storskalig och kolfri energikälla, eftersom den enheten kommer att skapa plasma som har mycket mer värme och kraft än nuvarande tokamakplasma gör det.

Så fysiker har ett dilemma. De vill att plasman ska vara i H-läge, men H-läge leder till instabiliteter som kan skada tokamak. Shousha och de andra forskarna fokuserade på att använda magnetfält för att dämpa instabiliteterna, en metod som upptäcktes 2003. De applicerade fälten minskar instabiliteten genom att tillåta partiklar att strömma genom gränsen. Men en bieffekt är att plasman svalnar och fusionsreaktionerna blir mindre effektiva.

Forskargruppen åtgärdade detta problem genom att kombinera magneter med ett återkopplingssystem. Kombinationen bestämmer det svagaste magnetfältet som kan undertrycka ELM samtidigt som det minimerar hur mycket fälten försämrar H-lägesförhållandena. "Det är den nya delen av vår forskning," sa Shousha.

Resultaten kom från doktorandernas engagemang i kombination med ett internationellt nätverk av forskare och institutioner. "Att vara en del av PPPL och Princeton University är en fantastisk möjlighet för doktorander", säger Egemen Kolemen, docent vid Princeton Universitys mekaniska och rymdtekniska avdelning som har ett gemensamt möte med PPPL och är medförfattare till uppsatsen. "De kan köra experiment var som helst i världen - USA, Kina, Tyskland, Sydkorea - och de har chansen att kontrollera dessa kraftfulla maskiner. Och de gör det riktigt bra. Så länge de har viljan har vi vägen ."

Forskarna planerar att förfina sitt system så att det kan upptäcka signaler som förebådar ELM:s ankomst så att magneterna kan börja förhindra dem innan de uppstår. "Tanken är att om vi kan upptäcka dessa prekursorsignaler snabbt, kan vi vidta åtgärder innan den förestående ELM dyker upp och potentiellt förhindra det," sa Shousha. + Utforska vidare

Korspollinerande fysiker använder ny teknik för att förbättra designen av anläggningar som syftar till att skörda fusionsenergi