En måte å kontrollere størrelsen på ustabilitetene i plasmaet til fusjonsreaktorer har blitt oppdaget av et internasjonalt team av forskere. Store ustabiliteter kan skade en reaktor, mens små ustabiliteter kan vise seg å være nyttige for å fjerne avfallshelium fra plasmaet. Derfor kan funnet gi viktig veiledning for driften av storskala fusjonsreaktorer.
Fusjon av hydrogenkjerner i et magnetisk avgrenset plasma kan levere enorme mengder miljøvennlig energi. Imidlertid er det fortsatt en betydelig utfordring å kontrollere det supervarme plasmaet.
I de smultringformede tokamak-reaktorene som er mest brukt i nåværende fusjonseksperimenter, er plasma begrenset av sterke magnetiske felt. Dette genererer bratte trykkgradienter mellom kanten av plasmaet og reaktorveggene. Hvis trykkgradienten ved kanten er for stor, kan det føre til ustabiliteter kalt edge localized modes (ELM). Disse avgir utbrudd av partikler og energi som kan forårsake alvorlig skade på reaktorveggene.
Denne siste studien ble ledet av Georg Harrer ved det tekniske universitetet i Wien. For å studere forholdene som skaper ELM-er, utførte teamet eksperimenter ved ASDEX Upgrade tokamak ved Max Planck Institute for Plasma Physics i Tyskland.
Øker plasmatettheten
De fant at store ELM-er kan unngås ved å øke plasmatettheten, resultatet er mindre ELM-er som forekommer oftere. I tillegg til å forårsake mindre skade, kan små ELM-er bidra til å fjerne avfallshelium fra plasmaet.
JETs rekordresultat og jakten på fusjonsenergi
Teamet fant også at ved høye plasmatettheter kan fremveksten av ELM kontrolleres ved å justere topologien til magnetfeltlinjene som begrenser plasmaet. I en tokamak slynger disse feltlinjene seg spiralformet rundt plasmaet, noe som betyr at kreftene de gir veksler i retning i forhold til trykkgradientene. I noen regioner av plasmaet virker kreftene mot ustabilitet, mens kreftene i andre regioner oppmuntrer til ustabilitet. Denne avveiningen kan karakteriseres av en ustabilitetsterskel, som definerer minimumstrykkgradienten som er nødvendig for å lage ELM-er.
Harrer og kollegene fant ut at økning av den spiralformede viklingen av magnetfeltet økte ustabilitetsterskelen – og reduserte derfor ELM-produksjonen. Økning av den magnetiske skjærkraften ved kanten av plasmaet førte også til en større ustabilitetsterskel. Den magnetiske skjærkraften er vinkelen mellom to kryssende magnetfeltlinjer.
Bruk av et plasma med stor trykkgradient øker fusjonsenergigevinsten til en fusjonsreaktor, med en avveining som en økende risiko for ELM-skade. Imidlertid kan små ELM-er være nyttige for å drive ut avfallshelium. Som et resultat må disse fenomenene være fint balansert for å optimere driften av fremtidige fusjonsreaktorer. Denne siste forskningen gir viktig innsikt i hvordan det kan gjøres.
Teamet rapporterer sine funn i Physical Review Letters.
