Hur mycket bränsle kan vi fylla på elden samtidigt som vi behåller kontrollen? Metaforiskt sett är det frågan som ett team vid det amerikanska energidepartementets Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har ställt sig på sistone.
Nu tror de att de har svaret på ett visst scenario. Allt är en del av labbets arbete med att föra energi från fusion till elnätet.
Med utgångspunkt i de senaste rönen som visar löftet om att belägga den inre ytan av kärlet som innehåller en fusionsplasma i flytande litium, har forskarna bestämt den maximala tätheten av oladdade eller neutrala partiklar vid kanten av ett plasma innan kanten av plasman kyls av och vissa instabiliteter blir oförutsägbara.
Att känna till den maximala densiteten för neutrala partiklar vid kanten av ett fusionsplasma är viktigt eftersom det ger forskarna en känsla av hur och hur mycket fusionsreaktionen ska drivas.
Forskningen, som presenteras i en ny artikel i Nuclear Fusion, inkluderar observationer, numeriska simuleringar och analyser från deras experiment inuti ett fusionsplasmakärl som kallas Lithium Tokamak Experiment-Beta (LTX-β).
LTX-β är ett av många fusionskärl runt om i världen som håller plasma i en munkform med hjälp av magnetfält. Sådana kärl är kända som tokamaks. Det som gör denna tokamak speciell är att dess innerväggar kan beläggas, nästan helt, i litium. Detta förändrar i grunden väggens beteende, eftersom litiumet håller fast vid en mycket hög andel av väteatomerna som kommer från plasman.
Utan litium skulle mycket mer väte studsa från väggarna och tillbaka in i plasman. I början av 2024 rapporterade forskargruppen att denna lågåtervinningsmiljö för väte håller själva kanten av plasman varm, vilket gör plasman mer stabil och ger plats för en större volym plasma.
"Vi försöker visa att en litiumvägg kan möjliggöra en mindre fusionsreaktor, vilket kommer att översättas till en högre effekttäthet", säger Richard Majeski, chef för forskningsfysiker vid PPPL och chef för LTX-β. I slutändan kan denna forskning översättas till den kostnadseffektiva fusionskraftkälla som världen behöver.
Nu har LTX-β-teamet publicerat ytterligare resultat som visar förhållandet mellan bränslet för plasman och dess stabilitet. Specifikt fann forskarna den maximala densiteten av neutrala partiklar vid kanten av plasma inuti LTX-β innan kanten börjar svalna, vilket kan leda till stabilitetsproblem.
Forskarna tror att de kan minska sannolikheten för vissa instabiliteter genom att hålla densiteten vid kanten av plasman under deras nydefinierade nivå på 1 x 10 19 m –3 . Detta är första gången en sådan nivå har etablerats för LTX-β, och att veta att det är ett stort steg i deras uppdrag att bevisa att litium är det idealiska valet för en innerväggsbeläggning i en tokamak eftersom det vägleder dem mot de bästa praxis för att tanka deras plasma.
I LTX-β drivs fusionen på två sätt:med hjälp av bloss av vätgas från kanten och en stråle av neutrala partiklar. Forskare förfinar hur man använder båda metoderna i tandem för att skapa en optimal plasma som kommer att upprätthålla fusion under lång tid i framtida fusionsreaktorer samtidigt som den genererar tillräckligt med energi för att göra det praktiskt för elnätet.
Fysiker jämför ofta temperaturen vid dess kant med dess kärntemperatur för att bedöma hur lätt det kommer att vara att hantera. De plottar dessa siffror på en graf och tar hänsyn till linjens lutning. Om temperaturen vid den inre kärnan och den yttre kanten är nästan densamma är linjen nästan platt, så de kallar det en platt temperaturprofil. Om temperaturen i ytterkanten är betydligt lägre än temperaturen vid den inre kärnan, kallar forskarna det för en topptemperaturprofil.
"Teamet bestämde den maximala densiteten för neutrala partiklar bortom kanten av ett plasma som fortfarande tillåter en platt-kant temperaturprofil. Att gå utöver det antalet neutrala partiklar vid kanten kommer definitivt att sänka din kanttemperatur, och du kommer att hamna i en toppade temperaturprofilen", säger Santanu Banerjee, en forskningsfysiker vid PPPL och huvudförfattare på den nya tidningen.
"Denna neutrala densitet är tröskeln för instabilitet som kallas rivningslägen. Utöver den densiteten tenderar rivningslägen att bli destabiliserad, orsaka hot mot plasman och kan stoppa fusionsreaktionen om den lämnas okontrollerad."
Om instabiliteterna blir för stora kommer fusionsreaktionen att upphöra. För att stödja elnätet funderar forskare på de bästa sätten att hantera en fusionsplasma så att reaktionen är stabil.
Banerjee och Majeski arbetade med flera andra forskare på tidningen, inklusive PPPL:s Dennis Boyle, Anurag Maan, Nate Ferraro, George Wilkie, Mario Podesta och Ron Bell.
Arbetet med projektet fortsätter. PPPL-ingenjören Dylan Corl optimerar riktningen i vilken den neutrala strålen, som används för att värma plasman, injiceras i tokamak. "Vi skapar i princip en ny hamn för det," sa Corl. Han använder en 3D-modell av LTX-β, och testar olika strålbanor för att säkerställa att strålen inte träffar en annan del av utrustningen, till exempel verktyg som används för att mäta plasman. "Att hitta den bästa vinkeln har varit en utmaning, men jag tror att vi har det nu," sa Corl.
Mer information: Santanu Banerjee et al, Undersöker rollen av kantneutrala i spännande rivlägesaktivitet och uppnår platta temperaturprofiler i LTX-β, Nuclear Fusion (2024). DOI:10.1088/1741-4326/ad2ca7
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
