- Fusjonsforskere øker energien til plasmaer i reaktorene deres slik at de kan generere mer kraft ved å bruke mindre tokamak-utstyr.
- Når plasmaer sirkulerer i denne sterkt energiserte tilstanden, kan de sprute mot veggene til tokamaksskader deres indre komponenter.
- En ny studie utført i Korea viser at magnetiske kontroller med hell kan håndtere disse utbruddene, noe som resulterer i jevnere flyt og redusert vedlikehold.
Plasma inne i tokamaks – de smultringformede enhetene som kan inneholde kjernefysiske fusjonsreaksjoner – kan være uregjerlig å håndtere.
Spurts av veldig varmt plasma, ligner på solflammer som bryter ut fra overflaten av solen, kommer fra systemet som opererer på et høyt energinivå. Disse sprutene kan overopphete tokamakens indre komponenter. (Et plasma dannes ved å varme opp gass til det er ionisert. Tåker, nordlys og lyn inneholder alle glødende plasmaer.)
⚡️ Vitenskap forklarer verden rundt oss. Vi hjelper deg å forstå det hele – bli med i Pop Mech Pro.
Søker stabilitet for fusjon reaksjoner, har et internasjonalt team av fysikkforskere utviklet en sofistikert kombinasjon av magnetiske kontroller for å redusere disse plasmasprutene som kan skade tokamaks. De publiserte arbeidet sitt tidligere i år i journalen Plasmas fysikk.
Plasma ustabilitet
Inne i tokamak, deuterium, en isotop av hydrogen, sirkulerer ved svært høy temperatur og lav tetthet. Tritium, en andre isotop av samme materiale, kan være der også. Isotoper av et grunnstoff har forskjellig antall nøytroner i kjernene sine fra hverandre, men samme antall protoner.
Kjernen i et plasma i en tokamak kan være 100 millioner grader Celsius, Suverene Kolemenen førsteamanuensis ved Princeton University’s Department of Mechanical and Aerospace Engineering og en medforfatter av papiret, forteller Populær mekanikk. Veggtemperaturen er mellom 400 og 1260 grader Celsius.
Deuterium reiser rundt den smultringformede torusen. Torusen er inne i en sterkt konstruert ytre beholder. Elektromagnetiske krefter leder deuteriumet langs dets bane. Hvis det oppstår ustabilitet i plasmaet, for eksempel kantlokaliserte moduser, kan ionene skade innsiden av torus.
Kantlokaliserte moduser “er utbrudd av energi” som dukker opp ved enden av plasmaet og treffer veggen, forklarer Kolemen. “Disse utbruddene fører til enorme økninger i varmebelastningen på maskinveggen.”
I tidlig fusjonsforskning forekom ikke kantlokaliserte moduser fordi plasma var i en tilstand med lavere energi. I de siste årene har fusjonsforskere funnet ut at det er produktivt å bruke tokamaks i en høyere energimodus, kjent som “H-modus”, fordi det gir bedre ytelse i et lite volum. Men i H-modus blir deuterium vanskeligere å kontrollere.
“Vi vil ha denne høye modusen, men vi vil ikke ha denne ustabiliteten som fører til denne utbruddet av energi som øker varmen og kanskje smelter veggen,” sa Kolemen.
Calming Edge-lokaliserte moduser
Fusjonsforskere har prøvd en rekke måter å få kantlokaliserte moduser til å roe seg ned. Disse har inkludert tilsetning av andre gasser, sier Kolemen. Artikkelen forklarer også at forskere har prøvd å injisere supersoniske molekylære stråler ved å bruke små periodiske vertikale likevektsforskyvninger og mer.
Kolemen og hans samarbeidspartnere har på sin side brukt en kontroller som forstyrrer plasmaet. “Vi har sett på å bruke 3D-spolene,” sier han. “Vi har disse … strukturer. De er som vinduer rundt reaktoren på torusen. De lager elektriske og magnetiske felt som ikke er symmetriske med hensyn til tverrsnittet til plasmaet. Det du gjør med denne 3D-forstyrrelsen er at du kan endre stabiliteten til kanten. Du kan få de kantlokaliserte modusene til å forsvinne. Det er flott.”
Disse forstyrrelsene gjør det vanskeligere å begrense plasmaet, dessverre. Det er der de dynamiske kontrollene spiller inn. Kontrolleren justerer magnetfeltene slik at bare 10 til 20 prosent av trykket går tapt.
“Vi har plasmasimuleringer som vi bruker,” forklarer Kolemen. “Vi bygde et intelligent kontrollsystem som ser på plasmaet og justerer 3D-forstyrrelsene og deretter ser hva plasmaet gjør. Den ser på alt og justerer kontrollen. Vi prøver å definere sweet spot og deretter justere plasmaet. Til slutt, det du ender opp med å oppnå er det høyest mulige trykket i plasmaet, men uten ustabilitet i kanten. Vi fikk mye bedre resultater. Vi ble kvitt ustabilitetene, men beholder fortsatt den høye innesperringen.»
Avisen sier at detektoren hadde noen få falske positive og falske negative resultater under eksperimentene, så den bør erstattes med en som ikke er avhengig av justering som er kalibreringsspesifikk.
“Jeg tror, grunnleggende sett, jeg har tro på at folk kommer til å finne ut av noen av disse tekniske utfordringene,” Greg Piefergrunnlegger og administrerende direktør i SHINE Technologies, forteller Populær mekanikk etter å ha lest avisen. «De er vanskelige. De kommer til å bli dyre maskiner, i hvert fall med dagens teknologi. Du må konkurrere med andre energikilder. Hvis du må bygge en veldig komplisert maskin med mange eksotiske materialer, vil det ta litt tid å få ned kostnadene. Du er nødt til å etablere virkelig gode stordriftsfordeler. Virkelig gode forsyningskjeder.”
Piefer sa at han er optimistisk med tanke på fusjons fremtidige evne til å drive vår elektrisk nett. “Jeg tror på lang sikt at det er måten mennesker vil produsere energi på. Vi er ved et vendepunkt akkurat nå. Det er spennende å være her akkurat nå og hjelpe til med å innlede det vi kaller fusjonsalderen.»