Dalam upaya berkelanjutan mereka untuk mengembangkan berbagai metode pengelolaan plasma sehingga dapat digunakan untuk menghasilkan listrik dalam proses yang dikenal sebagai fusi, para peneliti di Laboratorium Fisika Plasma (PPPL) Princeton milik Departemen Energi AS (DOE) telah menunjukkan bagaimana dua orang tua metode dapat dikombinasikan untuk memberikan fleksibilitas yang lebih besar.
Meskipun kedua metode tersebut—dikenal sebagai penggerak arus siklotron elektron (ECCD) dan penerapan gangguan magnetik resonansi (RMP)—telah lama dipelajari, ini adalah pertama kalinya para peneliti mensimulasikan bagaimana keduanya dapat digunakan bersama untuk meningkatkan kontrol plasma.
“Ini adalah ide baru,” kata Qiming Hu, staf fisikawan peneliti di PPPL dan penulis utama makalah baru yang diterbitkan di Fusi nuklir tentang pekerjaan, yang juga telah dibuktikan secara eksperimental. “Kemampuan penuhnya masih diselidiki, namun makalah kami berhasil meningkatkan pemahaman kita tentang potensi manfaatnya.”
Pada akhirnya, para ilmuwan berharap dapat menggunakan fusi untuk menghasilkan listrik. Pertama, mereka perlu mengatasi beberapa kendala, termasuk menyempurnakan metode untuk meminimalkan semburan partikel dari plasma yang dikenal sebagai mode edge-localized (ELM).
“Secara berkala, semburan ini melepaskan sedikit tekanan karena terlalu besar. Tapi ledakan ini bisa berbahaya,” kata Hu, yang bekerja untuk PPPL di DIII-D National Fusion Facility, fasilitas pengguna DOE yang diselenggarakan oleh General Atomics. DIII-D adalah tokamak, perangkat yang menggunakan medan magnet untuk membatasi plasma fusi dalam bentuk donat. ELM dapat mengakhiri reaksi fusi dan bahkan merusak tokamak, sehingga para peneliti telah mengembangkan banyak cara untuk menghindarinya.
“Cara terbaik yang kami temukan untuk menghindarinya adalah dengan menerapkan gangguan magnetik resonansi, atau RMP, yang menghasilkan medan magnet tambahan,” kata Fisikawan Peneliti Utama PPPL Alessandro Bortolon, yang merupakan salah satu penulis makalah tersebut.
Medan magnet menghasilkan pulau-pulau, gelombang mikro menyesuaikannya
Medan magnet awalnya diterapkan oleh angin tokamak di sekitar plasma berbentuk torus, baik secara panjang—di sekitar tepi luar, maupun pendek—dari tepi luar dan melalui lubang tengah. Medan magnet tambahan yang diciptakan oleh RMP bergerak melalui plasma, masuk dan keluar seperti jahitan saluran pembuangan. Medan ini menghasilkan medan magnet berbentuk oval atau melingkar di plasma yang disebut pulau magnet.
“Biasanya, pulau-pulau dalam plasma benar-benar buruk. Jika pulau-pulaunya terlalu besar, plasmanya sendiri bisa terganggu.”
Namun, para peneliti telah mengetahui secara eksperimental bahwa dalam kondisi tertentu, pulau-pulau tersebut dapat bermanfaat. Bagian tersulitnya adalah menghasilkan RMP yang cukup besar untuk menghasilkan pulau. Di sinilah peran ECCD, yang pada dasarnya adalah injeksi sinar gelombang mikro. Para peneliti menemukan bahwa menambahkan ECCD ke tepi plasma akan menurunkan jumlah arus yang diperlukan untuk menghasilkan RMP yang diperlukan untuk membuat pulau-pulau tersebut.
Injeksi sinar gelombang mikro juga memungkinkan para peneliti menyempurnakan ukuran pulau untuk stabilitas tepi plasma maksimum. Secara metaforis, RMP bertindak seperti saklar lampu sederhana yang menyalakan pulau-pulau, sedangkan ECCD bertindak seperti saklar peredup tambahan yang memungkinkan para peneliti menyesuaikan pulau-pulau tersebut ke ukuran ideal untuk plasma yang dapat dikelola.
“Simulasi kami menyempurnakan pemahaman kami tentang interaksi dalam permainan,” kata Hu. “Ketika ECCD ditambahkan searah dengan arus dalam plasma, lebar pulau berkurang, dan tekanan alas meningkat. Penerapan ECCD pada arah yang berlawanan memberikan hasil yang berlawanan, yaitu lebar pulau bertambah dan tekanan tumpuan menurun atau memfasilitasi pembukaan pulau.”
ECCD berada di bagian tepi, bukan di bagian inti
Penelitian ini juga penting karena ECCD ditambahkan ke tepi plasma, bukan di inti, tempat ECCD biasanya digunakan.
“Biasanya, orang berpikir penerapan ECCD lokal pada tepi plasma berisiko karena gelombang mikro dapat merusak komponen di dalam wadah,” kata Hu. “Kami telah menunjukkan bahwa hal ini dapat dilakukan, dan kami telah menunjukkan fleksibilitas pendekatannya. Hal ini mungkin membuka jalan baru untuk merancang perangkat masa depan.”
Dengan menurunkan jumlah arus yang dibutuhkan untuk menghasilkan RMP, pekerjaan simulasi ini pada akhirnya dapat menurunkan biaya produksi energi fusi pada perangkat fusi skala komersial di masa depan.