Flaggskeppsfusionsanläggningen vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) skulle kunna fungera som modell för en ekonomiskt attraktiv nästa generations fusionspilotanläggning, enligt nya simuleringar och analyser. Pilotanläggningen kan bli nästa steg i USA för att på jorden skörda fusionskraften som driver solen och stjärnorna som en säker och ren kraftkälla för att generera elektricitet.

Den amerikanska fusionsgemenskapen har nyligen uppmanat till en omedelbar ansträngning för att designa och bygga en kostnadseffektiv pilotanläggning för att generera el på 2040-talet. Unika egenskaper hos PPPL-flaggskeppet, National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) som för närvarande är under reparation, har gjort dess design till en kandidat för den rollen. "Allt handlar om att försöka projicera huruvida den här vägen är gynnsam för en kostnadseffektiv pilotanläggning och vidare", säger huvudfysikern Walter Guttenfelder, huvudförfattare till en uppsats i tidskriften Nuclear Fusion som beskriver de senaste fynden.

Fusion producerar enorm energi genom att kombinera lätta element som väte i form av plasma, det heta, laddade tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor eller joner. Plasma utgör 99 procent av det synliga universum och underblåser fusionsreaktioner som producerar värme och ljus som skapar och upprätthåller liv på jorden.

Den sfäriskt formade NSTX-U producerar högtrycksplasma som krävs för fusionsreaktioner i en relativt kompakt och kostnadseffektiv konfiguration. Driftskapaciteten för anläggningen är avsevärt förbättrad jämfört med dess föruppgraderade föregångare. "Den primära motivationen för NSTX-U är att driva upp till ännu högre krafter, högre magnetfält som stöder högtemperaturplasma för att se om tidigare observerade gynnsamma trender fortsätter," sa Guttenfelder.

Ny teori, analys och modellering från forskargruppen NSTX-U förutspår att många av dessa trender bör demonstreras i nya NSTX-U-experiment. Förutspådda driftförhållanden för NSTX-U inkluderar följande:

Starta plasma

Modellering har utvecklats för att effektivt optimera plasmainitiering och upprampning, och den användes för att hjälpa en sfärisk tokamak-anläggning i Storbritannien att producera sin första plasma.

Förstå plasmakanten

Nya modeller simulerar dynamiken mellan plasmakanten och tokamakväggen som kan avgöra om plasmans kärna kommer att nå de 150 miljoner graders temperaturer som behövs för att producera fusionsreaktioner.

Tillämpa artificiell intelligens

AI-maskininlärning har utvecklat en snabb väg för att optimera och kontrollera plasmaförhållanden som nära matchar förutsagda testmål.

Nya tekniker

Simuleringar föreslår många nya tekniker för att skärma inre NSTX-U-komponenter från explosioner av avgasvärme från fusionsreaktioner. Bland dessa koncept är användningen av förångat litium för att minska påverkan av värmeflöde.

Stabil prestanda

Studier fann att ett fönster för NSTX-U-prestanda kan förbli stabilt inför instabiliteter som kan försämra driften.

Vad du bör undvika

Ökad förståelse för villkoren att undvika kommer från utmärkt överensstämmelse mellan det förutsagda utbudet av instabila plasma och en stor experimentell databas.

Avsevärda framsteg har därför gjorts när det gäller att förstå och projicera hur NSTX-U kan främja utvecklingen av fusionsenergi, Nuclear Fusion  säger papper. "Nästa steg," sa Guttenfelder, "är att se om nya experiment validerar det vi förutsäger, och att förfina förutsägelserna om inte. Dessa steg tillsammans kommer att möjliggöra mer säkra projektioner för framtida enheter." + Utforska vidare

Att ta en ny tangent för att kontrollera irriterande vågor i fusionsplasma