Neues Rückkopplungssystem kann die Effizienz von Fusionsreaktionen verbessern

Wissenschaftler des Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) des US-Energieministeriums (DOE) haben die Verwendung von Magnetfeldern verfeinert, um die Leistung von ringförmigen Fusionsanlagen, die als Tokamaks bekannt sind, zu verbessern. Die verbesserte Technik schützt interne Teile vor Schäden durch Instabilitäten, die als „kantenlokalisierte Modi“ (ELMs) bezeichnet werden, und ermöglicht Tokamaks, länger ohne Unterbrechung zu arbeiten.

„Unser Hauptergebnis ist, dass wir gezeigt haben, dass unsere Technik ELMs unterdrücken und gleichzeitig die Plasmaleistung maximieren kann“, sagte Ricardo Shousha, ein Doktorand in der Plasmakontrollgruppe der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Princeton University, der mit PPPL verbunden ist. Shousha ist der Hauptautor eines Artikels, der über die Ergebnisse berichtet Physik der Plasmen.

Fusion, die Kraft, die Sonne und Sterne antreibt, verbindet leichte Elemente in Form von Plasma – dem heißen, geladenen Zustand der Materie, der aus freien Elektronen und Atomkernen besteht –, das enorme Mengen an Energie erzeugt. Wissenschaftler versuchen, die Fusion auf der Erde zu replizieren, um eine praktisch unerschöpfliche Energiequelle zur Stromerzeugung zu erhalten.

Die Forscher nutzten die Korea Superleading Tokamak Advanced Research (KSTAR)-Anlage, um Bedingungen zu untersuchen, unter denen das Zentrum des Plasmas besonders heiß und dicht wird. Dieser wünschenswerte Zustand, bekannt als H-Modus, kann auftreten, wenn eine scharfe Trennung zwischen der Mitte und dem kälteren Rand besteht; Wissenschaftler wollen, dass sich das Plasma im H-Modus befindet, weil es effizientere Fusionsreaktionen erzeugt. Aber weil die Temperatur und Dichte der beiden Regionen so drastisch unterschiedlich sind, bilden sich ELM-Instabilitäten entlang der Grenze, ähnlich wie Gewitter dort entstehen können, wo Heiß- und Kaltfronten aufeinandertreffen. Diese Instabilitäten können Schübe verursachen, die Sonneneruptionen ähneln, gigantische Plasmastöße, die von der Sonnenoberfläche ausbrechen.

Wenn diese Ereignisse in Tokamaks auftreten, können sie die Innenwände und Komponenten beschädigen, sodass die Maschine für Reparaturen abgeschaltet werden muss. Das Risiko ist sogar noch größer für ITER, den multinationalen Tokamak, der in Cadarache, Frankreich, gebaut wird, um die Machbarkeit der Fusion als groß angelegte und kohlenstofffreie Energiequelle zu beweisen, da dieses Gerät Plasma erzeugen wird, das weitaus mehr Wärme und Energie hat als aktuelle Tokamak-Plasmen tun dies.

Physiker haben also ein Dilemma. Sie wollen, dass sich das Plasma im H-Modus befindet, aber der H-Modus führt zu Instabilitäten, die den Tokamak beschädigen könnten. Shousha und die anderen Forscher konzentrierten sich auf die Verwendung von Magnetfeldern, um die Instabilitäten zu unterdrücken, eine Methode, die 2003 entdeckt wurde. Die angelegten Felder reduzieren Instabilitäten, indem sie Partikeln erlauben, durch die Grenze zu fließen. Ein Nebeneffekt ist jedoch, dass das Plasma abkühlt und die Fusionsreaktionen weniger effizient werden.

Das Forschungsteam ging dieses Problem an, indem es Magnete mit einem Rückkopplungssystem kombinierte. Die Kombination bestimmt das schwächste Magnetfeld, das die ELMs unterdrücken kann, während minimiert wird, wie sehr die Felder die H-Modus-Bedingungen verschlechtern. „Das ist der neuartige Teil unserer Forschung“, sagte Shousha.

Die Ergebnisse sind auf das Engagement der Doktoranden in Verbindung mit einem internationalen Netzwerk von Forschern und Institutionen zurückzuführen. „Ein Teil von PPPL und der Princeton University zu sein, ist eine großartige Gelegenheit für Doktoranden“, sagte Egemen Kolemen, außerordentlicher Professor an der Fakultät für Maschinenbau und Luft- und Raumfahrttechnik der Princeton University, der eine gemeinsame Ernennung mit PPPL hat und Mitautor des Papiers ist. „Sie können überall auf der Welt Experimente durchführen – in den Vereinigten Staaten, China, Deutschland, Südkorea – und sie haben die Möglichkeit, diese leistungsstarken Maschinen zu steuern. Und sie machen das wirklich gut. Solange sie den Willen haben, haben wir den Weg .“

Die Wissenschaftler planen, ihr System so zu verfeinern, dass es Signale erkennen kann, die das Kommen der ELMs ankündigen, damit die Magnete damit beginnen können, sie zu verhindern, bevor sie auftreten. „Die Idee ist, wenn wir diese Vorläufersignale schnell erkennen können, können wir Maßnahmen ergreifen, bevor das bevorstehende ELM auftritt, und es möglicherweise verhindern“, sagte Shousha.