För första gången har forskare byggt ett fusionsexperiment med hjälp av permanenta magneter, en teknik som kan visa ett enkelt sätt att bygga framtida enheter till lägre kostnad och tillåta forskare att testa nya koncept för framtida fusionskraftverk.
Forskare vid US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) kombinerade årtionden av expertis inom teknik, beräkning och teoretisk fysik för att designa en ny typ av stellarator, en snodd maskin som begränsar plasma, det elektriskt laddade fjärde tillståndet av materia , för att utnyttja fusionsprocessen som driver solen och stjärnorna och potentiellt generera ren elektricitet.
"Att använda permanentmagneter är ett helt nytt sätt att designa stellaratorer", säger Tony Qian, doktorand i Princeton-programmet i plasmafysik, som är baserat på PPPL. Qian var huvudförfattare till artiklar publicerade i Journal of Plasma Physics och Nuclear Fusion som beskriver teorin och tekniken bakom enheten, känd som MUSE. "Denna teknik gör att vi snabbt kan testa nya plasmainneslutningsidéer och enkelt bygga nya enheter."
Stellaratorer förlitar sig vanligtvis på komplicerade elektromagneter som har komplexa former och skapar sina magnetfält genom flödet av elektricitet. Dessa elektromagneter måste byggas exakt med mycket lite utrymme för fel, vilket ökar deras kostnader.
Men permanentmagneter, liksom magneterna som håller konst till kylskåpsdörrar, behöver inte elektriska strömmar för att skapa sina fält. De kan också beställas från hyllan från industriella leverantörer och sedan bäddas in i ett 3D-printat skal runt enhetens vakuumkärl, som håller plasman.
"MUSE är till stor del konstruerad med kommersiellt tillgängliga delar", säger Michael Zarnstorff, senior forskningsfysiker vid PPPL och huvudutredare av projektet. "Genom att arbeta med 3D-utskriftsföretag och magnetleverantörer kan vi shoppa runt och köpa den precision vi behöver istället för att göra det själva."
Den ursprungliga insikten om att permanentmagneter skulle kunna vara grunden för en ny, mer prisvärd stellaratorvariant kom till Zarnstorff 2014. "Jag insåg att även om de var placerade bredvid andra magneter, kunde sällsynta jordartsmetaller permanentmagneter generera och bibehålla de magnetiska fält som krävs att begränsa plasmat så att fusionsreaktioner kan uppstå," sa Zarnstorff, "och det är egenskapen som gör att den här tekniken fungerar."
Lösa ett långvarigt tekniskt problem
Uppfanns för mer än 70 år sedan av PPPL-grundaren Lyman Spitzer, stellaratorer är bara ett koncept för fusionsanläggningar. En annan är den munkformade eller kärnade äppelformade tokamak, som PPPL:s National Spherical Torus Experiment-Upgrade, som begränsar plasma med relativt enkla magneter. I decennier har detta varit den föredragna designen för forskare runt om i världen på grund av hur väl enheterna begränsar plasma.
Men tokamaks förlitar sig också på magnetiska fält som skapas av elektriska strömmar som går genom mitten av plasman, vilket skapar instabiliteter som stör fusionsreaktionerna. Stellaratorer kan dock fungera utan sådana strömmar och kan därför köras på obestämd tid. Men deras komplicerade magneter, som är svåra att designa och bygga, har i åratal inneburit att stellaratorer inte var ekonomiska eller praktiska alternativ för fusionskraftverk.
Det är därför MUSE:s framgång med att visa att stellaratorer kan fungera med enkla magneter är så viktig. "Typiska stellaratormagneter är mycket svåra att bearbeta eftersom du måste göra det väldigt exakt", säger Amelia Chambliss, doktorand vid Columbia Universitys institution för tillämpad fysik och tillämpad matematik som hjälpte till att designa MUSE under en DOE Science Undergraduate Laboratory Internship vid PPPL en några år sedan. "Så idén att vi kan använda massor av diskreta magneter för att göra jobbet istället är väldigt spännande. Det är ett mycket enklare tekniskt problem."
Förutom att vara ett ingenjörsmässigt genombrott, uppvisar MUSE också en teoretisk egenskap som kallas kvasisymmetri i högre grad än någon annan stellarator har tidigare. Det är också den första enheten som färdigställts någonstans i världen som designades specifikt för att ha en typ av kvasisymmetri som kallas kvasiaxisymmetri.
Utfattad av fysikern Allen Boozer vid PPPL i början av 1980-talet betyder kvasisymmetri att även om formen på magnetfältet inuti stellaratorn kanske inte är densamma runt stellaratorns fysiska form, är magnetfältets styrka enhetlig runt enheten, vilket leder till god plasmainneslutning och högre sannolikhet för att fusionsreaktioner inträffar. "Faktum är att MUSE:s kvasisymmetrioptimering är minst 100 gånger bättre än någon befintlig stellarator", sa Zarnstorff.
"Det faktum att vi kunde designa och bygga denna stellarator är en verklig prestation," sa Qian.
I framtiden planerar PPPL-teamet att köra en serie experiment för att bestämma den exakta karaktären av MUSE:s kvasisymmetri och på så sätt ta reda på hur väl enheten förhindrar varma partiklar från att röra sig från plasmans kärna till kanten, vilket gör fusionsreaktioner svårare . Metoderna kommer att innefatta att kartlägga magnetfälten mer exakt och mäta hur den snurrande plasman saktar ner, vilket beror på enhetens kvasisymmetri.
MUSE visar vilken typ av innovation som är möjlig på ett nationellt laboratorium i USA. "För mig är det viktigaste med MUSE att det representerar ett kreativt sätt att lösa ett svårt problem," sa Chambliss. "Den använder många fördomsfria och innovativa tillvägagångssätt för att lösa långvariga stellaratorproblem. Så länge samhället fortsätter att tänka på det här flexibla sättet kommer vi att vara i god form."
Mer information: T.M. Qian et al, Design och konstruktion av MUSE permanentmagnet stellarator, Journal of Plasma Physics (2023). DOI:10.1017/S0022377823000880
T. Qian et al, Enklare optimerade stellaratorer med permanentmagneter, Nuclear Fusion (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac6c99
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
