I sin pågående strävan efter att utveckla en rad metoder för att hantera plasma så att den kan användas för att generera elektricitet i en process som kallas fusion, har forskare vid US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) visat hur två gamla metoder kan kombineras för att ge större flexibilitet.
Även om de två metoderna – kända som elektroncyklotronströmdrivning (ECCD) och applicering av resonantmagnetiska störningar (RMP) – har studerats länge, är det första gången forskare har simulerat hur de kan användas tillsammans för att ge förbättrad plasmakontroll.
"Det här är en slags ny idé", säger Qiming Hu, en forskningsfysiker vid PPPL och huvudförfattare till en ny artikel publicerad i Nuclear Fusion om arbetet, som också har demonstrerats experimentellt. "De fullständiga funktionerna håller fortfarande på att utrönas, men vår tidning gör ett bra jobb med att förbättra vår förståelse för de potentiella fördelarna."
I slutändan hoppas forskarna kunna använda fusion för att generera elektricitet. Först kommer de att behöva övervinna flera hinder, inklusive perfektion av metoder för att minimera skurar av partiklar från plasman som är kända som kantlokaliserade lägen (ELM).
"Periodisk släpper dessa skurar lite tryck eftersom det är för mycket. Men dessa skurar kan vara farliga", säger Hu, som arbetar för PPPL på DIII-D National Fusion Facility, en DOE-användaranläggning som är värd för General Atomics. DIII-D är en tokamak, en enhet som använder magnetfält för att begränsa en fusionsplasma i en munkform. ELM kan avsluta en fusionsreaktion och till och med skada tokamak, så forskare har utvecklat många sätt att försöka undvika dem.
"Det bästa sättet vi har hittat för att undvika dem är genom att använda resonansmagnetiska störningar, eller RMP, som genererar ytterligare magnetfält", säger PPPL:s forskningsfysiker Alessandro Bortolon, som var en av medförfattarna till artikeln.
De magnetiska fälten som initialt applicerades av tokamak slingrar sig runt den torusformade plasman, både den långa vägen - runt den yttre kanten och den korta vägen - från den yttre kanten och genom mitthålet. De extra magnetiska fälten som skapas av RMP:erna färdas genom plasman och vävs in och ut som ett avloppssöm. Dessa fält producerar ovala eller cirkulära magnetiska fält i plasman som kallas magnetiska öar.
"Normalt är öar i plasma riktigt, riktigt dåliga. Om öarna är för stora kan själva plasman störa."
Men forskarna visste redan experimentellt att öarna under vissa förhållanden kan vara till nytta. Det svåra är att generera RMP:er som är tillräckligt stora för att generera öarna. Det är där ECCD, som i grunden är en mikrovågsinjektion, kommer in. Forskarna fann att tillsats av ECCD till plasmans kant sänker mängden ström som krävs för att generera de RMP som krävs för att göra öarna.
Mikrovågsinjektionen gjorde det också möjligt för forskarna att perfektionera storleken på öarna för maximal plasmakantstabilitet. Metaforiskt fungerar RMP:erna som en enkel ljusströmbrytare som sätter på öarna, medan ECCD fungerar som en extra dimmerbrytare som låter forskarna justera öarna till den idealiska storleken för en hanterbar plasma.
"Vår simulering förfinar vår förståelse av interaktionerna i spel," sa Hu. "När ECCD tillsattes i samma riktning som strömmen i plasman minskade öns bredd och piedestaltrycket ökade. Applicering av ECCD i motsatt riktning gav motsatta resultat, med öbredden ökande och piedestaltrycket sjunkande eller underlätta öppning av ön."
Forskningen är också anmärkningsvärd eftersom ECCD lades till plasmans kant istället för kärnan, där den vanligtvis används.
"Vanligtvis tror folk att tillämpa lokaliserad ECCD vid plasmakanten är riskabelt eftersom mikrovågorna kan skada komponenter i kärlet", sa Hu. "Vi har visat att det är genomförbart och vi har visat flexibiliteten i tillvägagångssättet. Detta kan öppna nya vägar för att designa framtida enheter."
Genom att sänka mängden ström som krävs för att generera RMP:erna kan detta simuleringsarbete i slutändan leda till att sänka kostnaden för fusionsenergiproduktion i framtidens fusionsenheter i kommersiell skala.
Mer information: Q.M. Hu et al, Effekter av kantlokaliserad elektroncyklotronströmdrift på kantlokaliserad modundertryckning av resonansmagnetiska störningar i DIII-D, Nuclear Fusion (2024). DOI:10.1088/1741-4326/ad2ca8
N.C. Logan et al, Tillgång till stabila tokamak-piedestaler med högt tryck med hjälp av lokal elektroncyklotronströmdrivning, Nuclear Fusion (2023). DOI:10.1088/1741-4326/ad0fbe
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
