För att bli kommersiellt gångbara måste fusionskraftverk skapa och upprätthålla de plasmaförhållanden som krävs för fusionsreaktioner. Men vid höga temperaturer och densiteter utvecklar plasma ofta gradienter i dessa temperaturer och densiteter. Dessa gradienter kan växa till instabiliteter som kantlokaliserade lägen (ELM).
ELM förekommer i plasmakanten och har potential att skada den närliggande reaktorväggen. En funktion som kan påverka ELM är plasmans tvärsnittsform.
Forskare använder termen plasmatriangularitet för att beskriva hur mycket plasmaformen avviker från en oval form. De flesta studerade plasma har positiv triangularitet, vilket innebär att de har ett D-format tvärsnitt med den vertikala delen av "D" nära tokamaks mittstolpe.
I nyare forskning har forskare studerat negativ triangularitet, den omvända formen med den vertikala delen nära ytterväggen. Negativ triangularitetsplasma är kända för att uppvisa viss självreglering av gradienter. Genom omfattande analys av data från DIII-D National Fusion Facility-programmet visade forskarna att denna formning i sig var fri från instabilitet över olika plasmaförhållanden. Verket publiceras i tidskriften Physical Review Letters .
Denna forskning visade att plasma med negativ triangularitet är fria från potentiellt skadliga instabiliteter i plasmans kantregion utan att offra fusionsprestanda. Detta tyder på att negativ triangularitetsformning stabiliserar instabiliteter i plasmakanten.
Samtidigt uppnår den de höga kärnprestanda och kantförhållanden som behövs för att uppnå de brinnande plasmaförhållanden som framtida fusionskraftverk kommer att behöva. Detta resultat tyder på att negativ triangularitetsformning skulle kunna vara ett idealiskt tillvägagångssätt för design av fusionskraftverk.
Experiment utförda med DIII-D National Fusion Facility tokamak undersökte användningen av negativ triangularitetsformning för att begränsa utvecklingen av mycket instabila och energiska ELM. Arbetet var en del av ett större samarbete om negativ triangularitet som omfattade nästan alla institutioner som bedriver fusionsforskning i USA.
Medan ELM är vanliga under högpresterande plasmaförhållanden som är relevanta för fusionskraftverk, fann studien att negativ triangularitetsformning begränsade utvecklingen av temperatur- och tryckgradienter som kan växa till ELM i plasmakanten.
Speciellt uppvisade plasma med stark negativ triangularitet (mindre än -0,15) inga instabiliteter, även vid den höga värmeeffekten och kärnprestanda som vanligtvis orsakar ELM. Djupgående analys av en omfattande DIII-D-datauppsättning som representerar en rad förhållanden, inklusive den höga kärnprestanda och kantkompatibilitet som behövs för fusionsreaktorer, visade denna ELM-fria natur konsekvent.
Detta arbete möjliggjordes av den omfattande, högtrogna diagnostiken av DIII-D tokamak, och förbättringar i modellering hjälpte till att stödja slutsatserna som visar förbättrad stabilitet över det utökade utbudet av tillstånd.
Dessutom var denna inneboende stabilitet mer robust än ELM-undertryckningen som uppnåddes med andra tillvägagångssätt, såsom resonansmagnetiska störningar för att undertrycka ELM eller drift i en ELM-fri regim. Således har negativ triangularitetsformning potentialen att begränsa de högenergiska, skadliga plasmainstabiliteterna som för närvarande är en stor utmaning vid konstruktion av fusionskraftverk. Detta indikerar att tillvägagångssättet med negativ triangularitet motiverar ytterligare undersökning för tillämpning vid konstruktion av fusionskraftverk.
Mer information: A. O. Nelson et al, Robust Avoidance of Edge-Localized Modes tillsammans med Gradient Formation in the Negative Triangularity Tokamak Edge, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.131.195101. På arXiv :DOI:10.48550/arxiv.2305.13458
Journalinformation: Fysiska granskningsbrev , arXiv
Tillhandahålls av US Department of Energy
