Att utnyttja energi från plasma kräver en exakt förståelse av dess beteende under fusion för att hålla den varm, tät och stabil. En ny teoretisk modell om en plasmas kant, som kan bli instabil och bukta ut, för utsikterna till kommersiell fusionskraft närmare verkligheten.
"Modellen förfinar tanken på att stabilisera kanten av plasman för olika tokamakformer", säger Jason Parisi, en forskningsfysiker vid PPPL. Parisi är huvudförfattare till tre artiklar som beskriver modellen som publicerades i tidskrifterna Nuclear Fusion och Plasmas fysik . Det primära papperet fokuserar på en del av plasman som kallas piedestal, som är belägen vid kanten. Sockeln är utsatt för instabilitet eftersom plasmans temperatur och tryck ofta sjunker kraftigt över detta område.
Den nya modellen är anmärkningsvärd eftersom den är den första som matchar piedestalbeteenden som sågs i US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) National Spherical Torus Experiment (NSTX). Medan konventionella tokamaks är formade som munkar, är NSTX en av flera tokamaks som är mer formad som ett äpple med kärnor. Skillnaden i tokamak-proportioner påverkar plasma och, som modellen indikerar, piedestalen.
Parisi, tillsammans med ett team av forskare, utforskade gränserna för piedestaler och undersökte hur mycket tryck som kunde appliceras på plasma inuti en fusionsreaktor innan instabilitet uppstod. I synnerhet studerade de störningar i piedestalen som kallas ballonginstabilitet:utbuktningar av plasma som sticker ut, som änden på en lång ballong när den kläms.
"Modellen är en förlängning av en modell som människor har använt på fältet i kanske 10 år, men vi gjorde beräkningen av ballongstabilitet mycket mer sofistikerad," sa Parisi.
För att utveckla sin modell tittade forskarna på förhållandet mellan piedestalmått - höjd och bredd - och ballonginstabilitet. Parisi sa att den nya modellen passade på första försöket. "Jag blev förvånad över hur bra det fungerar. Vi försökte bryta modellen för att säkerställa att den var korrekt, men den passar data riktigt bra", sa han.
Den befintliga modellen, känd som EPED, var känd för att fungera för munkformade tokamaks men inte för den sfäriska varianten. "Vi bestämde oss för att ge det en chans, och bara genom att ändra en del av EPED, nu fungerar det riktigt bra," sa Parisi. Resultaten ger också forskarna en tydligare bild av kontrasten mellan de två tokamakdesignerna.
"Det finns verkligen en stor skillnad mellan stabilitetsgränsen för äppelformen och den standardformade tokamak, och vår modell kan nu till viss del förklara varför den skillnaden finns," sa han. Fynden kan hjälpa till att minimera plasmastörningar.
Tokamaks är designade för att intensifiera trycket och temperaturen i plasma, men instabilitet kan omintetgöra dessa ansträngningar. Om plasma buktar ut och vidrör reaktorns väggar, till exempel, kan det erodera väggarna med tiden.
Instabiliteter kan också utstråla energi bort från plasman. Att veta hur brant en piedestal kan vara innan instabilitet uppstår kan hjälpa forskare att hitta sätt att optimera plasma för fusionsreaktioner baserat på proportionerna av tokamak.
Även om han tillade att det ännu inte är klart vilken form som är mer fördelaktig, föreslår modellen andra experiment som skulle försöka utnyttja de positiva aspekterna av äppelformen och se hur mycket nytta de skulle kunna ge.
I grund och botten förbättrar den nya modellen vår förståelse av piedestaler och för forskare närmare att uppnå det större målet att designa en fusionsreaktor som genererar mer ström än den förbrukar.
Parisis andra artikel i serien undersöker hur väl EPED-modellen är i linje med höjden och bredden på piedestalen för olika plasmaformer.
"Ditt kärnfusionstryck, och därför din kraft, är så känsligt för hur hög din piedestal är. Och så, om vi skulle utforska olika former för framtida fusionsenheter, vill vi definitivt se till att våra förutsägelser fungerar", sa han .
Parisi började med gamla data från experimentella urladdningar i NSTX och modifierade sedan plasmans kantform. Han fann att en förändring av formen hade en mycket stor effekt på förhållandet mellan bredd och höjd på sockeln. Dessutom fann Parisi att vissa former kunde leda till flera möjliga piedestaler - särskilt i tokamaks formade som NSTX och dess ättling, som för närvarande uppgraderas, NSTX-U. Detta skulle ge dem som kör ett fusionsskott ett val mellan till exempel en brant eller ytlig piedestal.
"När människor kom med dessa piedestalmodeller försökte de förutsäga piedestalbredden och höjden eftersom det kan förändra mängden fusionskraft som genereras av mycket, och vi vill vara exakta," sa Parisi. "Men hur modellerna är konstruerade för tillfället tar de bara hänsyn till plasmastabilitet."
Uppvärmning och bränslepåfyllning är andra viktiga faktorer och sådana som Parisis tredje uppsats utforskar. Specifikt tittade Parisi på vissa piedestaler och bestämde mängden uppvärmning och bränsle som krävs för att uppnå det givet en viss plasmaform. En brant piedestal kräver vanligtvis mycket mer uppvärmning än en grund piedestal, till exempel.
Uppsatsen tar också hänsyn till hur ett skjuvflöde, som uppstår när intilliggande partiklar rör sig med olika flödeshastigheter, kan påverka piedestalens höjd och bredd. Tidigare experiment i NSTX fann att när en del av det inre av kärlet var belagt med litium och flödesskjuvningen var stark, blev piedestalen tre till fyra gånger bredare än när inget litium tillsattes.
"Det verkar kunna tillåta piedestalen att fortsätta växa", sa Parisi. "Om du kunde ha ett plasma i en tokamak som helt var piedestal, och om gradienterna var riktigt branta, skulle du få ett riktigt högt kärntryck och en riktigt hög fusionskraft."
Att förstå de variabler som är involverade i att komma till ett stabilt högeffektplasma för forskare närmare deras slutmål att kommersialisera fusionskraft.
"Dessa tre artiklar är verkligen viktiga för att förstå fysiken hos sfäriska tokamaks och hur plasmatrycket organiseras i denna struktur där det ökar kraftigt vid kanten och upprätthåller högt tryck i kärnan. Om vi inte förstår den processen kan vi" Jag projicerar inte med tillförsikt till framtida enheter, och det här arbetet går långt mot att uppnå det förtroendet, säger biträdande forskningschef för NSTX-U och medförfattare till tidningen Jack Berkery.
