Ett sätt att kontrollera storleken på instabiliteter i plasma från fusionsreaktorer har upptäckts av ett internationellt team av forskare. Stora instabiliteter kan skada en reaktor, medan små instabiliteter kan visa sig användbara för att avlägsna heliumavfall från plasman. Därför kan upptäckten ge viktig vägledning för driften av storskaliga fusionsreaktorer.
Fusionen av vätekärnor i en magnetiskt sluten plasma skulle kunna leverera enorma mängder miljövänlig energi. Att kontrollera den superheta plasman är dock fortfarande en betydande utmaning.
I de munkformade tokamak-reaktorerna som används mest i nuvarande fusionsexperiment är plasma begränsat av starka magnetfält. Detta genererar branta tryckgradienter mellan kanten av plasman och reaktorväggarna. Om tryckgradienten vid kanten är för stor kan det leda till instabiliteter som kallas kantlokaliserade lägen (ELM). Dessa avger skurar av partiklar och energi som kan orsaka allvarliga skador på reaktorväggarna.
Denna senaste studie leddes av Georg Harrer vid tekniska universitetet i Wien. För att studera förhållandena som skapar ELM:er genomförde teamet experiment vid ASDEX Upgrade tokamak vid Max Planck Institute for Plasma Physics i Tyskland.
Öka plasmadensiteten
De fann att stora ELM kan undvikas genom att öka plasmadensiteten, resultatet är mindre ELM som förekommer oftare. Förutom att orsaka mindre skada kan små ELM:er hjälpa till att avlägsna heliumavfall från plasman.
JET:s rekordresultat och strävan efter fusionsenergi
Teamet fann också att vid höga plasmadensiteter kan uppkomsten av ELM kontrolleras genom att justera topologin för de magnetiska fältlinjerna som begränsar plasman. I en tokamak slingrar sig dessa fältlinjer spiralformigt runt plasmat, vilket betyder att krafterna de ger växlar i riktning i förhållande till tryckgradienterna. I vissa regioner av plasman verkar krafterna mot instabilitet medan krafterna i andra regioner uppmuntrar instabilitet. Denna avvägning kan kännetecknas av en instabilitetströskel, som definierar den minsta tryckgradient som behövs för att skapa ELM.
Harrer och kollegor fann att ökad spirallindning av magnetfältet ökade instabilitetströskeln - och därför minskade ELM-produktionen. Att öka den magnetiska skjuvningen vid kanten av plasman ledde också till en högre instabilitetströskel. Den magnetiska skjuvningen är vinkeln mellan två korsande magnetfältlinjer.
Att använda en plasma med en stor tryckgradient ökar fusionsenergivinsten i en fusionsreaktor, med avvägningen som en ökande risk för ELM-skada. Men små ELM kan visa sig användbara för att driva ut heliumavfall. Som ett resultat måste dessa fenomen vara fint balanserade för att optimera driften av framtida fusionsreaktorer. Den senaste forskningen ger viktiga insikter om hur det skulle kunna göras.
Teamet rapporterar sina resultat i Fysiska granskningsbrev.
