Dalam usaha berterusan mereka untuk membangunkan pelbagai kaedah untuk menguruskan plasma supaya ia boleh digunakan untuk menjana elektrik dalam proses yang dikenali sebagai gabungan, penyelidik di Makmal Fizik Plasma Princeton (PPPL) Jabatan Tenaga AS (JAS) telah menunjukkan berapa umur kaedah boleh digabungkan untuk memberikan fleksibiliti yang lebih besar.
Walaupun kedua-dua kaedah—dikenali sebagai pemacu arus siklotron elektron (ECCD) dan menggunakan gangguan magnetik resonans (RMP)—telah lama dikaji, ini adalah kali pertama penyelidik mensimulasikan cara ia boleh digunakan bersama untuk memberikan kawalan plasma yang dipertingkatkan.
"Ini adalah sejenis idea baharu," kata Qiming Hu, seorang ahli fizik penyelidikan kakitangan di PPPL dan pengarang utama kertas baharu yang diterbitkan dalam Peleburan Nuklear tentang kerja, yang juga telah ditunjukkan secara eksperimen. "Keupayaan penuh masih difikirkan, tetapi kertas kerja kami melakukan tugas yang hebat untuk memajukan pemahaman kami tentang potensi manfaat."
Akhirnya, saintis berharap untuk menggunakan gabungan untuk menjana elektrik. Pertama, mereka perlu mengatasi beberapa halangan, termasuk kaedah menyempurnakan untuk meminimumkan pecahan zarah daripada plasma yang dikenali sebagai mod setempat tepi (ELM).
“Secara berkala, letupan ini mengeluarkan sedikit tekanan kerana ia terlalu banyak. Tetapi letupan ini boleh berbahaya,” kata Hu, yang bekerja untuk PPPL di Kemudahan Gabungan Nasional DIII-D, kemudahan pengguna DOE yang dihoskan oleh General Atomics. DIII-D ialah tokamak, peranti yang menggunakan medan magnet untuk mengurung plasma gabungan dalam bentuk donat. ELM boleh menamatkan tindak balas gabungan dan juga merosakkan tokamak, jadi penyelidik telah membangunkan banyak cara untuk cuba mengelakkannya.
"Cara terbaik yang kami temui untuk mengelakkannya ialah dengan menggunakan gangguan magnetik resonan, atau RMP, yang menjana medan magnet tambahan," kata Pakar Fizik Penyelidikan Utama PPPL Alessandro Bortolon, yang merupakan salah seorang pengarang bersama kertas kerja itu.
Medan magnet menjana pulau, gelombang mikro menyesuaikannya
Medan magnet pada mulanya digunakan oleh angin tokamak mengelilingi plasma berbentuk torus, kedua-dua jalan yang jauh—di sekeliling pinggir luar dan jalan pendek—dari pinggir luar dan melalui lubang tengah. Medan magnet tambahan yang dicipta oleh RMP bergerak melalui plasma, menganyam masuk dan keluar seperti jahitan pembetung. Medan ini menghasilkan medan magnet bujur atau bulat dalam plasma yang dipanggil pulau magnet.
"Biasanya, pulau-pulau dalam plasma adalah sangat teruk. Jika pulau itu terlalu besar, maka plasma itu sendiri boleh mengganggu.
Walau bagaimanapun, para penyelidik telah mengetahui secara eksperimen bahawa dalam keadaan tertentu, pulau-pulau itu boleh memberi manfaat. Bahagian yang sukar ialah menjana RMP yang cukup besar untuk menjana pulau. Di situlah ECCD, yang pada asasnya merupakan suntikan pancaran gelombang mikro, masuk. Para penyelidik mendapati bahawa menambah ECCD pada pinggir plasma mengurangkan jumlah arus yang diperlukan untuk menjana RMP yang diperlukan untuk membuat pulau itu.
Suntikan pancaran gelombang mikro juga membolehkan para penyelidik menyempurnakan saiz pulau untuk kestabilan tepi plasma maksimum. Secara metafora, RMP bertindak seperti suis lampu ringkas yang menghidupkan pulau, manakala ECCD bertindak seperti suis dimmer tambahan yang membolehkan penyelidik melaraskan pulau kepada saiz ideal untuk plasma yang boleh diurus.
"Simulasi kami memperhalusi pemahaman kami tentang interaksi dalam permainan," kata Hu. "Apabila ECCD ditambah dalam arah yang sama seperti arus dalam plasma, lebar pulau berkurangan, dan tekanan kekaki meningkat. Menggunakan ECCD dalam arah yang bertentangan menghasilkan keputusan yang bertentangan, dengan peningkatan lebar pulau dan tekanan kekaki menurun atau memudahkan pembukaan pulau."
ECCD di tepi, bukannya teras
Penyelidikan ini juga ketara kerana ECCD telah ditambahkan pada pinggir plasma dan bukannya teras, di mana ia biasanya digunakan.
"Biasanya, orang berpendapat menggunakan ECCD setempat di pinggir plasma adalah berisiko kerana gelombang mikro boleh merosakkan komponen dalam kapal," kata Hu. “Kami telah menunjukkan bahawa ia boleh dilakukan, dan kami telah menunjukkan fleksibiliti pendekatan. Ini mungkin membuka ruang baharu untuk mereka bentuk peranti masa hadapan.”
Dengan menurunkan jumlah arus yang diperlukan untuk menjana RMP, kerja simulasi ini akhirnya boleh membawa kepada penurunan kos pengeluaran tenaga gabungan dalam peranti gabungan skala komersial masa hadapan.