Een internationaal team van onderzoekers heeft een manier ontdekt om de omvang van instabiliteiten in het plasma van fusiereactoren te beheersen. Grote instabiliteiten kunnen een reactor beschadigen, terwijl kleine instabiliteiten nuttig kunnen zijn om afvalhelium uit het plasma te verwijderen. Daarom zou de ontdekking een belangrijke leidraad kunnen zijn voor de werking van grootschalige fusiereactoren.
De fusie van waterstofkernen in een magnetisch opgesloten plasma zou enorme hoeveelheden milieuvriendelijke energie kunnen opleveren. Het beheersen van het superhete plasma blijft echter een grote uitdaging.
In de donutvormige tokamak-reactoren die het meest worden gebruikt in huidige fusie-experimenten, wordt plasma opgesloten door sterke magnetische velden. Dit genereert sterke drukgradiënten tussen de rand van het plasma en de reactorwanden. Als de drukgradiënt aan de rand te groot is, kan dit leiden tot instabiliteiten die edge localized modes (ELM's) worden genoemd. Deze stoten uitbarstingen van deeltjes en energie uit die ernstige schade aan de reactorwanden kunnen veroorzaken.
Dit laatste onderzoek werd geleid door Georg Harrer aan de Technische Universiteit van Wenen. Om de omstandigheden te bestuderen die ELM's creëren, voerde het team experimenten uit bij de ASDEX Upgrade tokamak van het Max Planck Instituut voor Plasmafysica in Duitsland.
Verhoogde plasmadichtheid
Ze ontdekten dat grote ELM's kunnen worden vermeden door de plasmadichtheid te verhogen, met als resultaat kleinere ELM's die vaker voorkomen. Kleine ELM's veroorzaken niet alleen minder schade, maar kunnen ook helpen bij het verwijderen van afvalhelium uit het plasma.
JET's recordresultaat en de zoektocht naar fusie-energie
Het team ontdekte ook dat bij hoge plasmadichtheden de opkomst van ELM's kan worden gecontroleerd door de topologie van de magnetische veldlijnen die het plasma opsluiten aan te passen. In een tokamak kronkelen deze veldlijnen spiraalvormig rond het plasma, wat betekent dat de krachten die ze uitoefenen in richting wisselen ten opzichte van de drukgradiënten. In sommige regio's van het plasma werken de krachten instabiliteit tegen, terwijl in andere regio's de krachten instabiliteit bevorderen. Deze afweging kan worden gekenmerkt door een instabiliteitsdrempel, die de minimale drukgradiënt definieert die nodig is om ELM's te maken.
Harrer en collega's ontdekten dat het vergroten van de spiraalvormige wikkeling van het magnetische veld de instabiliteitsdrempel verhoogde - en daardoor de ELM-productie verminderde. Ook leidde het vergroten van de magnetische afschuiving aan de rand van het plasma tot een grotere instabiliteitsdrempel. De magnetische afschuiving is de hoek tussen twee elkaar kruisende magnetische veldlijnen.
Het gebruik van een plasma met een grote drukgradiënt verhoogt de fusie-energiewinst van een fusiereactor, met als wisselwerking een toenemend risico op ELM-schade. Kleine ELM's kunnen echter nuttig zijn voor het verdrijven van afvalhelium. Als gevolg hiervan moeten deze verschijnselen nauwkeurig worden uitgebalanceerd om de werking van toekomstige fusiereactoren te optimaliseren. Dit nieuwste onderzoek biedt belangrijke inzichten in hoe dat zou kunnen worden gedaan.
Het team rapporteert haar bevindingen in Physical Review Letters.
