Forskare har upptäckt ett anmärkningsvärt enkelt sätt att förhindra allmän instabilitet som kan stoppa fusionsreaktioner och skada väggarna hos fusionsreaktorer, så kallade tokamak.
Resultaten, som publicerades i juni 2017 i tidskriften Physical Review Letters, härrör sig från de experiment som utförts på National Spherical Torus Experiment Upgrade avdelning (NSTX-U), vid Institutionen för Energys Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Den latenta instabiliteten kallas global Alfvén eigenmode (GAE) - en vanlig vågliknande störning som kan få fusionsreaktioner att ”rinna ut i sanden”. Stabiliteten bevarades med hjälp av andra neutrala strålinjektor som nyligen installerats som en del av en så kallad NSTX-U-uppgraderingen. Bara en liten mängd mycket energiska partiklar från en injektor kunde stänga GAE:n.
Dessa instabila företeelser kan enligt forskarna jämställas med en orm eller drake som sväljer sin egen svans. GAE omrörs av samma neutrala strålpartiklar som värmer plasman, som i sin tur joniseras i elektroner och joner, eller atomkärnor, innanför gasen. När dessa utlöses av de snabba jonerna kan GAE: erna stiga upp och driva ut dem, kyla ner plasman och stoppa fusionsreaktioner.
Hämmande av denna ”upphetsning” sker genom strålar från andra injektorer, som strömmar genom plasman i form av en högre vinkel, i en riktning som är ungefär parallell med det magnetfältet som begränsar den heta gasen. Fysiker kallar sådana strålar "utombordare" för att skilja dem från de inre strålarna, som den ursprungliga NSTX-U-sprutan producerar, och som flödar genom plasma och magnetfältet på ett mer skevt sätt.
Injektion med utombordsstrålen kväver GAE i en millisekund. De snabba jonerna från strålen kombinerad med de från inre strålarna höjer därmed jonernas densitet och ändrar deras fördelning i plasman. Den plötsliga förändringen minskade, enligt forskarna, gradienten eller lutningen av jontätheten. Utan detta hade GAE inte kunnat bildas och ”porla” genom plasman.
Dessa anmärkningsvärda resultat var goda nyheter för fusionsutveckling.
- Normalt, när man injicerar energiska partiklar, ökar man obalansen, säger Jonathan Menard, forskningschef på NSTX-U.
- Det faktum att den andra neutrala strålen kunde hejda instabilitet genom att variera snabbjonernas fördelning med hjälp av en liten mängd partiklar har gett vår forskning flexibilitet och detta var verkligen en välkommen upptäckt, betonar Menard.
Resultatet bekräftade också förutsägelser om en datorkod som kallas "HYM", och som har utvecklats av PPPL-fysikern Elena Belova, och som kan vara användbara för ITER, den internationella fusionsanläggningen som just nu byggs i södra Frankrike. Anläggningens mål är bland annat att visa förmåga att begränsa eller kväva brinnande plasma och producera 10 gånger mer energi än fusionsanläggningen själv förbrukar.
- Forskningens resultat visar att kvävandet av GAE med hjälp av endast litet antal energiska partiklar är fullt möjligt. Med hjälp av koden som Belova tog fram kan vi göra rimliga prognoser om GAE:s stabilitet även när det gäller ITER, förklarar fysiker Eric Fredrickson, huvudförfattare till den publicerade forskningsartikeln.
Källa:
DOE/Princeton Plasma Physics Laboratory.
