Nytt tilbakemeldingssystem kan forbedre effektiviteten av fusjonsreaksjoner

Forskere ved US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har foredlet bruken av magnetiske felt for å forbedre ytelsen til smultringformede fusjonsanlegg kjent som tokamaks. Den forbedrede teknikken beskytter interne deler fra skade av ustabilitet kalt “edge-localized modes” (ELMs) og lar tokamaks operere lenger uten å ta pause.

“Vårt hovedresultat er at vi viste at teknikken vår kan undertrykke ELM og samtidig maksimere plasmaytelsen,” sa Ricardo Shousha, en doktorgradsstudent i plasmakontrollgruppen ved Princeton Universitys Mechanical and Aerospace Engineering Department som er tilknyttet PPPL. Shousha er hovedforfatter av en artikkel som rapporterer resultatene i Plasmas fysikk.

Fusjon, kraften som driver sola og stjernene, 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. Forskere søker å gjenskape fusjon på jorden for en praktisk talt uuttømmelig forsyning av kraft for å generere elektrisitet.

Forskerne brukte Korea Superconducting Tokamak Advanced Research (KSTAR)-anlegget for å studere forhold der plasmasenteret blir spesielt varmt og tett. Denne ønskelige tilstanden, kjent som H-modus, kan oppstå når det er et skarpt skille mellom midten og den kaldere kanten; forskere vil at plasmaet skal være i H-modus fordi det produserer mer effektive fusjonsreaksjoner. Men fordi temperaturen og tettheten til de to regionene er så drastisk forskjellige, dannes det ELM-ustabilitet langs grensen, omtrent som det kan dannes tordenvær der varme og kalde fronter møtes. Disse ustabilitetene kan forårsake sprut som ligner solutbrudd, gigantiske burps av plasma som bryter ut fra overflaten av solen.

Når disse hendelsene oppstår i tokamaks, kan de skade de indre veggene og komponentene, noe som krever at maskinen slås av for reparasjoner. Risikoen er enda høyere for ITER, den multinasjonale tokamak som bygges i Cadarache, Frankrike for å bevise gjennomførbarheten av fusjon som en storskala og karbonfri energikilde, siden den enheten vil skape plasma som har mye mer varme og kraft enn nåværende tokamak plasmaer gjør.

Så fysikere har et dilemma. De vil at plasmaet skal være i H-modus, men H-modus fører til ustabilitet som kan skade tokamak. Shousha og de andre forskerne fokuserte på å bruke magnetiske felt for å dempe ustabilitetene, en metode som ble oppdaget i 2003. De påførte feltene reduserer ustabilitetene ved å la partikler strømme gjennom grensen. Men en bivirkning er at plasma avkjøles og fusjonsreaksjonene blir mindre effektive.

Forskerteamet tok tak i dette problemet ved å kombinere magneter med et tilbakemeldingssystem. Kombinasjonen avgjør den svakeste magnetfelt som kan undertrykke ELM-ene mens de minimerer hvor mye feltene forringer H-modusforholdene. “Det er den nye delen av forskningen vår,” sa Shousha.

Resultatene kom fra engasjementet til doktorgradsstudentene kombinert med et internasjonalt nettverk av forskere og institusjoner. “Å være en del av PPPL og Princeton University er en flott mulighet for doktorgradsstudenter,” sa Egemen Kolemen, en førsteamanuensis ved Princeton Universitys avdeling for mekanisk og romfartsingeniør, som har en felles avtale med PPPL og er medforfatter av artikkelen. “De kan kjøre eksperimenter hvor som helst i verden – USA, Kina, Tyskland, Sør-Korea – og de har sjansen til å kontrollere disse kraftige maskinene. Og de gjør det veldig bra. Så lenge de har viljen, har vi veien .”

Forskerne planlegger å avgrense systemet sitt slik at det kan oppdage signaler som varsler om ELM-ene, slik at magnetene kan begynne å forhindre dem før de oppstår. “Ideen er at hvis vi kan oppdage disse forløpersignalene raskt, kan vi iverksette tiltak før den forestående ELM dukker opp og potensielt forhindre det,” sa Shousha.

---

---