Międzynarodowy zespół naukowców odkrył sposób kontrolowania wielkości niestabilności w plazmie reaktorów termojądrowych. Duże niestabilności mogą uszkodzić reaktor, podczas gdy małe niestabilności mogą okazać się przydatne do usuwania odpadowego helu z plazmy. Dlatego odkrycie może dostarczyć ważnych wskazówek dotyczących działania reaktorów termojądrowych na dużą skalę.
Fuzja jąder wodoru w magnetycznie ograniczonej plazmie może dostarczyć ogromne ilości energii przyjaznej dla środowiska. Jednak kontrolowanie supergorącej plazmy pozostaje poważnym wyzwaniem.
W reaktorach tokamaków w kształcie pączków, najczęściej używanych w obecnych eksperymentach syntezy jądrowej, plazma jest ograniczona silnymi polami magnetycznymi. Generuje to strome gradienty ciśnienia między krawędzią plazmy a ścianami reaktora. Jeśli gradient ciśnienia na krawędzi jest zbyt duży, może to prowadzić do niestabilności zwanych modami zlokalizowanymi na krawędzi (ELM). Emitują one wybuchy cząstek i energii, które mogą spowodować poważne uszkodzenie ścian reaktora.
To ostatnie badanie było prowadzone przez Georga Harrera na Politechnice Wiedeńskiej. Aby zbadać warunki, w których powstają ELM, zespół przeprowadził eksperymenty na tokamaku ASDEX Upgrade w Instytucie Fizyki Plazmy Maxa Plancka w Niemczech.
Zwiększenie gęstości plazmy
Odkryli, że dużych ELM można uniknąć, zwiększając gęstość plazmy, w wyniku czego mniejsze ELM występują częściej. Oprócz powodowania mniejszych szkód, małe ELM mogą pomóc w usuwaniu odpadowego helu z plazmy.
Rekordowy wynik JET i poszukiwanie energii termojądrowej
Zespół odkrył również, że przy wysokich gęstościach plazmy pojawianie się ELM można kontrolować, dostosowując topologię linii pola magnetycznego ograniczających plazmę. W tokamaku te linie pola owijają się spiralnie wokół plazmy, co oznacza, że siły, które przekazują, zmieniają się w kierunku w stosunku do gradientów ciśnienia. W niektórych obszarach plazmy siły przeciwdziałają niestabilności, podczas gdy w innych regionach siły sprzyjają niestabilności. Ten kompromis można scharakteryzować za pomocą progu niestabilności, który określa minimalny gradient ciśnienia potrzebny do wytworzenia ELM.
Harrer i współpracownicy odkryli, że zwiększenie spiralnego uzwojenia pola magnetycznego zwiększyło próg niestabilności – a tym samym zmniejszyło produkcję ELM. Ponadto zwiększenie ścinania magnetycznego na krawędzi plazmy doprowadziło do zwiększenia progu niestabilności. Ścinanie magnetyczne to kąt między dwiema przecinającymi się liniami pola magnetycznego.
Używanie plazmy o dużym gradiencie ciśnienia zwiększa przyrost energii syntezy jądrowej w reaktorze termojądrowym, przy czym kompromisem jest rosnące ryzyko uszkodzenia ELM. Jednak małe ELM mogą okazać się przydatne do usuwania zużytego helu. W rezultacie zjawiska te muszą być precyzyjnie zrównoważone, aby zoptymalizować działanie przyszłych reaktorów termojądrowych. Najnowsze badania dostarczają ważnych informacji na temat tego, jak można to zrobić.
Zespół zgłasza swoje ustalenia w Physical Review Letters.
