In hun voortdurende zoektocht naar de ontwikkeling van een reeks methoden voor het beheer van plasma, zodat het kan worden gebruikt om elektriciteit op te wekken in een proces dat bekend staat als fusie, hebben onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) laten zien hoe twee oude methoden kunnen worden gecombineerd om meer flexibiliteit te bieden.
Hoewel de twee methoden – bekend als elektronencyclotronstroomaandrijving (ECCD) en het toepassen van resonante magnetische verstoringen (RMP) – al lang worden bestudeerd, is dit de eerste keer dat onderzoekers hebben gesimuleerd hoe ze samen kunnen worden gebruikt om verbeterde plasmacontrole te geven.
“Dit is een soort nieuw idee”, zegt Qiming Hu, stafonderzoeksfysicus bij PPPL en hoofdauteur van een nieuw artikel gepubliceerd in Kernfusie over het werk, dat ook experimenteel is aangetoond. “De volledige mogelijkheden worden nog onderzocht, maar ons artikel doet uitstekend werk door ons begrip van de potentiële voordelen te vergroten.”
Uiteindelijk hopen wetenschappers fusie te gebruiken om elektriciteit op te wekken. Ten eerste zullen ze verschillende hindernissen moeten overwinnen, waaronder het perfectioneren van methoden voor het minimaliseren van uitbarstingen van deeltjes uit het plasma die bekend staan als edge-localized modes (ELM's).
“Van tijd tot tijd laten deze uitbarstingen een beetje druk los, omdat het te veel is. Maar deze uitbarstingen kunnen gevaarlijk zijn”, zegt Hu, die voor PPPL werkt bij de DIII-D National Fusion Facility, een DOE-gebruikersfaciliteit gehost door General Atomics. DIII-D is een tokamak, een apparaat dat magnetische velden gebruikt om een fusieplasma in de vorm van een donut op te sluiten. ELM's kunnen een fusiereactie beëindigen en zelfs de tokamak beschadigen. Daarom hebben onderzoekers veel manieren ontwikkeld om deze te vermijden.
"De beste manier die we hebben gevonden om ze te vermijden is door resonante magnetische verstoringen, of RMP's, toe te passen die extra magnetische velden genereren", zegt PPPL-hoofdonderzoeksfysicus Alessandro Bortolon, een van de co-auteurs van het artikel.
Magnetische velden genereren eilanden, microgolven passen ze aan
De magnetische velden die aanvankelijk door de tokamak werden aangelegd, winden zich rond het torusvormige plasma, zowel langs de lange weg – rond de buitenrand, als over de korte weg – vanaf de buitenrand en door het centrale gat. De extra magnetische velden die door de RMP's worden gecreëerd, reizen door het plasma en vlechten als een rioolsteek. Deze velden produceren ovale of cirkelvormige magnetische velden in het plasma die magnetische eilanden worden genoemd.
“Normaal gesproken zijn eilanden in plasma’s echt heel erg slecht. Als de eilanden te groot zijn, kan het plasma zelf ontwrichten.”
De onderzoekers wisten echter al experimenteel dat de eilanden onder bepaalde omstandigheden nuttig kunnen zijn. Het moeilijkste deel is het genereren van RMP's die groot genoeg zijn om de eilanden te genereren. Dat is waar de ECCD, die in feite een microgolfstraalinjectie is, in beeld komt. De onderzoekers ontdekten dat het toevoegen van ECCD aan de rand van het plasma de hoeveelheid stroom verlaagt die nodig is om de RMP's te genereren die nodig zijn om de eilanden te maken.
Dankzij de microgolfstraalinjectie konden de onderzoekers ook de grootte van de eilanden perfectioneren voor maximale stabiliteit van de plasmarand. Metaforisch gezien fungeren de RMP's als een eenvoudige lichtschakelaar die de eilanden aanzet, terwijl de ECCD fungeert als een extra dimschakelaar waarmee de onderzoekers de eilanden kunnen aanpassen aan de ideale grootte voor een beheersbaar plasma.
"Onze simulatie verfijnt ons begrip van de interacties in het spel", zei Hu. “Toen de ECCD in dezelfde richting werd toegevoegd als de stroom in het plasma, nam de breedte van het eiland af en nam de voetstukdruk toe. Het toepassen van de ECCD in de tegenovergestelde richting leverde tegengestelde resultaten op, waarbij de eilandbreedte toenam en de voetstukdruk daalde of de opening van het eiland werd vergemakkelijkt.”
ECCD aan de rand, in plaats van de kern
Het onderzoek is ook opmerkelijk omdat ECCD werd toegevoegd aan de rand van het plasma in plaats van aan de kern, waar het doorgaans wordt gebruikt.
"Gewoonlijk denken mensen dat het toepassen van gelokaliseerde ECCD aan de plasmarand riskant is, omdat de microgolven de componenten in het vat kunnen beschadigen", zegt Hu. “We hebben laten zien dat het haalbaar is, en we hebben de flexibiliteit van de aanpak aangetoond. Dit zou nieuwe wegen kunnen openen voor het ontwerpen van toekomstige apparaten.”
Door de hoeveelheid stroom die nodig is om de RMP's te genereren te verlagen, zou dit simulatiewerk uiteindelijk kunnen leiden tot een verlaging van de kosten van de productie van fusie-energie in toekomstige fusie-apparaten op commerciële schaal.