I den japanska konsten Kintsugi tar en konstnär de trasiga skärvorna av en skål och smälter ihop dem med guld för att göra en slutprodukt vackrare än originalet.
Den idén inspirerar till ett nytt tillvägagångssätt för att hantera plasma, materiens superheta tillstånd, för användning som strömkälla. Forskare använder de ofullkomligheter i magnetiska fält som begränsar en reaktion för att förbättra och förbättra plasman i ett tillvägagångssätt som beskrivs i en artikel i tidskriften Nature Communications .
"Det här tillvägagångssättet gör att du kan upprätthålla en högpresterande plasma, kontrollera instabiliteter i kärnan och kanten av plasman samtidigt. Den samtidiga kontrollen är särskilt viktig och svår att göra. Det är det som gör det här arbetet speciellt", säger Joseph Snipes från US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL). Han är PPPL:s biträdande chef för Tokamak Experimental Science Department och var medförfattare till tidningen.
PPPL-fysikern Seong-Moo Yang ledde forskargruppen, som sträcker sig över olika institutioner i USA och Sydkorea. Yang säger att detta är första gången något forskarlag har validerat ett systematiskt tillvägagångssätt för att skräddarsy magnetfältsfel för att göra plasman lämplig för användning som en strömkälla. Dessa magnetfältsfel är kända som felfält.
"Vår nya metod identifierar optimala felfältskorrigeringar, vilket förbättrar plasmastabiliteten," sa Yang. "Denna metod har visat sig förbättra plasmastabiliteten under olika plasmaförhållanden, till exempel när plasman var under förhållanden med hög och låg magnetisk inneslutning."
Felfält orsakas vanligtvis av små defekter i de magnetiska spolarna i enheten som håller plasman, som kallas en tokamak. Hittills har felfält bara setts som en olägenhet eftersom även ett mycket litet felfält kan orsaka en plasmastörning som stoppar fusionsreaktioner och kan skada väggarna i ett fusionskärl. Följaktligen har fusionsforskare lagt ner mycket tid och ansträngning på att noggrant hitta sätt att korrigera felfält.
"Det är ganska svårt att eliminera befintliga felfält, så istället för att fixa dessa oregelbundenheter i spolen kan vi applicera ytterligare magnetfält som omger fusionskärlet i en process som kallas felfältskorrigering," sa Yang.
Tidigare skulle detta tillvägagångssätt också ha skadat plasmans kärna, vilket gör plasmat olämpligt för fusionskraftgenerering. Den här gången kunde forskarna eliminera instabiliteter vid kanten av plasman och bibehålla kärnans stabilitet. Forskningen är ett utmärkt exempel på hur PPPL-forskare överbryggar klyftan mellan dagens fusionsteknik och vad som kommer att behövas för att få fusionskraft till elnätet.
"Det här är faktiskt ett mycket effektivt sätt att bryta symmetrin i systemet, så människor kan avsiktligt försämra instängningen. Det är som att göra ett väldigt litet hål i en ballong så att den inte exploderar", säger SangKyeun Kim, en forskare från personalen. vid PPPL och pappersmedförfattare. Precis som luft skulle läcka ut ur ett litet hål i en ballong, läcker en liten mängd plasma ut ur felfältet, vilket hjälper till att bibehålla dess totala stabilitet.
En av de tuffaste delarna med att hantera en fusionsreaktion är att få både kärnan och kanten av plasman att bete sig samtidigt. Det finns idealiska zoner för plasmans temperatur och densitet i båda regionerna och att träffa dessa mål samtidigt som det är svårt att eliminera instabiliteter.
Denna studie visar att justering av felfälten samtidigt kan stabilisera både kärnan och kanten av plasman. Genom att noggrant kontrollera magnetfälten som produceras av tokamakens spolar kunde forskarna undertrycka kantinstabilitet, även känd som kantlokaliserade lägen (ELM), utan att orsaka störningar eller en betydande förlust av inneslutning.
"Vi försöker skydda enheten", säger PPPL Staff Research Physicist Qiming Hu, en författare till tidningen.
Forskningen utfördes med hjälp av KSTAR tokamak i Sydkorea, som utmärker sig för sin förmåga att justera sin magnetiska felfältskonfiguration med stor flexibilitet. Denna förmåga är avgörande för att experimentera med olika felfältskonfigurationer för att hitta de mest effektiva för att stabilisera plasman.
Forskarna säger att deras tillvägagångssätt har betydande konsekvenser för utformningen av framtida pilotanläggningar för tokamakfusion, vilket kan göra dem mer effektiva och tillförlitliga. De arbetar för närvarande på en artificiell intelligens (AI) version av sitt kontrollsystem för att göra det mer effektivt.
"Dessa modeller är ganska komplexa; de tar lite tid att beräkna. Men när du vill göra något i ett realtidskontrollsystem har du bara råd med några millisekunder att göra en beräkning", säger Snipes. "Med hjälp av AI kan du i princip lära systemet vad du kan förvänta dig och kunna använda den artificiella intelligensen för att förutsäga i förväg vad som kommer att behövas för att kontrollera plasman och hur det ska implementeras i realtid."
Medan deras nya papper belyser arbete som utförts med KSTAR:s interna magnetspolar, föreslår Hu att framtida forskning med magnetspolar utanför fusionskärlet skulle vara värdefull eftersom fusionsgemenskapen håller på att gå bort från idén att inrymma sådana spolar inuti det vakuumförseglade kärlet p.g.a. den potentiella förstörelsen av sådana komponenter från plasmans extrema värme.
Mer information: SeongMoo Yang et al, Skräddarsy tokamak-felfält för att kontrollera plasmainstabiliteter och transport, Nature Communications (2024). DOI:10.1038/s41467-024-45454-1
Journalinformation: Nature Communications
Tillhandahålls av Princeton Plasma Physics Laboratory
