Nya insikter kan leda till stora framsteg för fusionsenergi

Roscoe White. Foto: Elle Starkman/Princeton Plasma Physics Laboratory

Forskare vid Princeton Plasma Physics Laboratory har fått större förståelse för en barriär som kan förhindra att de cirkelformade fusionsanläggningar som kallas tokamaker fungerar med hög effektivitet. Det handlar om att de går miste om värme som är av vital betydelse för dem.

Forskarteamet lett av fysikern Roscoe White datorsimulerade en typ av plasmarörelse som kan stöta ut mycket energirika partiklar från kärnan till kanten av tokamaken, ett fenomen som kan uppstå i ITER, den internationella tokamak som byggs i Frankrike för att demonstrera att fusion är möjligt att använda som energikälla.

- För att fusionssystem ska fungera måste du se till att de mycket energirika partiklarna i dem hålls väldigt isolerade i plasmakärnan. Om dessa partiklar driver ut till kanten av plasman kan man inte upprätthålla den ständigt brinnande plasman som krävs för att fusionsdriven elektricitet ska bli verklighet, säger fysikern Vinícius Duarte, en av medlemmarna i forskargruppen.

Duarte hänvisar till ett fenomen som kallas "kvitter" (från fåglars kvitter) som uppstår när frekvensen hos plasmavågorna som interagerar med mycket energirika partiklar plötsligt förändras, vilket i slutändan får energi att kastas ut från plasmakärnan och ger upphov snabbt föränderliga toner. De nya resultaten, som belyser olika aspekter på kvitter i en tokamak, kan hjälpa forskare att ta reda på hur man kan förhindra kvitter och bibehålla den så viktiga värmen. Att förhindra plötsliga frekvensförändringar kan också skydda tokamak-väggarna från plötsliga utbrott av koncentrerade och skadliga energiflöden.

Simuleringarna visade att kvittret börjar när snabbt rörliga partiklar i kärnan interagerar med vågor som böljar genom plasman och spontant bildar klumpar som förflyttar sig till plasmakanten. Resultaten bekräftar tidigare resultat baserade på förenklade tokamakkonfigurationer.

Denna interaktion med plasmapartiklar får frekvensen hos de så kallade plasmavågorna att stiga och sjunka samtidigt som de kastar ut klumparna mot plasmakanten och ibland in i tokamakväggen.

Forskarna var tvungna att skapa nya virtuella verktyg för att observera rörelsen hos de simulerade vågorna med nödvändig detaljrikedom.

– I en viss mening är det som att bygga ett mikroskop som gör det möjligt för dig att se vad du behöver se, säger White.

De nya resultaten är en del av ett långsiktigt arbete med fokus på att bättre förstå fenomenet kvitter, särskilt inom ramen för PPPL:s tokamakexperiment (NSTX-U).

– Om man förstår det kan man hitta sätt att driva fusionsanläggningar utan det, säger White.