Forskere bringer fusjonsenergien som lyser solen og stjernene nærmere virkeligheten på jorden

Fysikere ved det amerikanske energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har foreslått kilden til den plutselige og forvirrende varmekollapsen som går foran forstyrrelser som kan skade smultringformede tokamak-fusjonsanlegg. Å takle kilden kan overvinne en av de mest kritiske utfordringene som fremtidige fusjonsanlegg vil møte og bringe nærmere virkeligheten produksjonen på jorden av fusjonsenergien som driver solen og stjernene.

Forskere sporet kollapsen til 3D-forstyrrelsen av de sterke magnetfeltene som flasker opp de varme, ladede gassplasma som gir næring til reaksjonene. “Vi foreslo en ny måte å forstå [disordered] feltlinjer, som vanligvis ble ignorert eller dårlig modellert i de tidligere studiene,” sa Min-Gu Yoo, en postdoktor ved PPPL og hovedforfatter av en Plasmas fysikk papir valgt som redaktørens valg sammen med en figur plassert på forsiden av julinummeret. Yoo har siden blitt stabsforsker ved General Atomics i San Diego.

De sterke magnetiske felt erstatte i fusjonsanlegg for den enorme tyngdekraften som holder fusjonsreaksjoner på plass i himmellegemer. Men når forstyrret av plasma ustabilitet i laboratorieeksperimenter lar feltlinjene den supervarme plasmavarmen raskt unnslippe innesperring. Slik milliongraders varme knuser plasmapartikler sammen for å frigjøre fusjonsenergi og kan treffe og skade fusjonsanleggets vegger når de slippes ut av innesperringen.

“I den store forstyrrelsessaken blir feltlinjer totalt [disordered] som spaghetti og koble raskt til veggen med svært forskjellige lengder,” sa forskningsfysiker Weixing Wang, Yoos PPPL-rådgiver og medforfatter av papiret. “Det gir enorm plasma Termisk energi mot veggen.”

Fusjon kombinerer lette elementer i form av plasma – den varme, ladede tilstanden til materie som består av frie elektroner og atomkjerner – som genererer enorme mengder energi. Plasma inneholder frie elektroner og atomkjerner, eller ioner, og utgjør 99 % av det synlige universet. Forskere over hele verden søker å fange og kontrollere fusjon prosess på jorden for å skape en ren, karbonfri og praktisk talt uuttømmelig kraftkilde for å generere elektrisitet.

Bakker og daler

Det som ikke tidligere hadde vært kjent var 3D-formen, eller topologien, til de uordnede feltlinjene forårsaket av turbulent ustabilitet. Topologien danner små åser og daler, forklarer Yoo, og etterlater noen partikler fanget i daler og ute av stand til å unnslippe innesperring, mens andre ruller nedover åsene og støter på veggene i anlegget.

“Eksistensen av disse åsene er ansvarlig for den raske temperaturkollapsen, den såkalte termiske slukningen, ettersom de lar flere partikler flykte til tokamak-veggen,” sa Yoo. “Det vi viste i oppgaven er hvordan man kan tegne et godt kart for å forstå topologien til feltlinjene. Uten magnetiske åser ville de fleste elektronene blitt fanget og ikke kunne produsere den termiske slukningen som ble observert i eksperimenter.”

PPPL-forskere simulerte den termiske sluknings-topologien som en kompleks 3D-struktur i stedet for en enkel 1D-struktur slik den hadde blitt avbildet. Ved å gjøre det unngikk forskerne vanlige overforenklinger som kunne villede fysikken.

Det som gjorde topologien vanskelig å forstå var det komplekse samspillet mellom de elektriske og magnetiske feltene inne i anlegget, sa Yoo. PPPL-forskere avdekket interaksjonen ved å bruke laboratoriets GTS-kode, som simulerer effekten av turbulent ustabilitet på partikkelbevegelse. Koden avslørte at elektrisk felt produsert i anlegg virker til å sparke partikler blant spaghetti-lignende stokastiske magnetfeltlinjer og letter deretter bevegelsen til fangede partikler langs feltlinjene som gir opphav til den termiske bråkjølingen.

“Denne forskningen gir ny fysisk innsikt i hvordan plasmaet mister sin energi mot veggen når det er åpent magnetfelt linjer,” sa Yoo. “Den nye forståelsen vil være nyttig for å finne innovative måter å dempe eller unngå termiske quenches og plasmaforstyrrelser i fremtiden.”

---

---