Trong nỗ lực không ngừng phát triển một loạt các phương pháp quản lý plasma để nó có thể được sử dụng để tạo ra điện trong một quá trình được gọi là phản ứng tổng hợp, các nhà nghiên cứu tại Phòng thí nghiệm Vật lý Plasma Princeton (PPPL) của Bộ Năng lượng Hoa Kỳ (DOE) đã chỉ ra hai phương pháp cũ như thế nào. các phương pháp có thể được kết hợp để mang lại sự linh hoạt hơn.
Mặc dù hai phương pháp—được gọi là truyền động dòng điện cyclotron điện tử (ECCD) và áp dụng nhiễu loạn từ trường cộng hưởng (RMP)—đã được nghiên cứu từ lâu nhưng đây là lần đầu tiên các nhà nghiên cứu mô phỏng cách chúng có thể được sử dụng cùng nhau để tăng cường khả năng kiểm soát plasma.
“Đây là một ý tưởng mới”, Qiming Hu, nhà vật lý nghiên cứu tại PPPL và là tác giả chính của một bài báo mới xuất bản trên tạp chí cho biết. Nhiệt hạch hạt nhân về công việc, điều này cũng đã được chứng minh bằng thực nghiệm. “Các khả năng đầy đủ vẫn đang được tìm ra, nhưng bài báo của chúng tôi đã làm rất tốt việc nâng cao hiểu biết của chúng tôi về những lợi ích tiềm năng.”
Cuối cùng, các nhà khoa học hy vọng có thể sử dụng phản ứng nhiệt hạch để tạo ra điện. Đầu tiên, họ sẽ cần phải vượt qua một số trở ngại, bao gồm các phương pháp hoàn thiện để giảm thiểu sự bùng nổ của các hạt từ plasma được gọi là chế độ định vị cạnh (ELM).
“Theo định kỳ, những vụ nổ này giải phóng một chút áp lực vì nó quá lớn. Nhưng những vụ nổ này có thể nguy hiểm”, Hu, người làm việc cho PPPL tại Cơ sở hợp nhất quốc gia DIII-D, một cơ sở người dùng DOE do General Atomics tổ chức, cho biết. DIII-D là tokamak, một thiết bị sử dụng từ trường để giam giữ plasma nhiệt hạch ở dạng bánh rán. ELM có thể kết thúc phản ứng nhiệt hạch và thậm chí làm hỏng tokamak, vì vậy các nhà nghiên cứu đã phát triển nhiều cách để cố gắng tránh chúng.
Nhà vật lý nghiên cứu chính của PPPL Alessandro Bortolon, một trong những đồng tác giả của bài báo, cho biết: “Cách tốt nhất mà chúng tôi tìm ra để tránh chúng là áp dụng các nhiễu loạn từ cộng hưởng, hay RMP, để tạo ra từ trường bổ sung”.
Từ trường tạo ra các đảo, vi sóng điều chỉnh chúng
Từ trường ban đầu do gió tokamak tác dụng xung quanh plasma hình xuyến, cả theo đường dài – xung quanh rìa ngoài và đường ngắn – từ rìa ngoài và xuyên qua lỗ trung tâm. Từ trường bổ sung do RMP tạo ra sẽ truyền qua plasma, đan xen vào và ra giống như đường khâu của cống. Những trường này tạo ra từ trường hình bầu dục hoặc hình tròn trong plasma gọi là đảo từ.
“Thông thường, các hòn đảo trong plasma thực sự rất tệ. Nếu các hòn đảo quá lớn thì bản thân plasma có thể bị gián đoạn.”
Tuy nhiên, các nhà nghiên cứu đã biết bằng thực nghiệm rằng trong những điều kiện nhất định, các hòn đảo có thể mang lại lợi ích. Phần khó khăn là tạo ra RMP đủ lớn để tạo ra các hòn đảo. Đó là lúc ECCD, về cơ bản là một chùm tia vi sóng, xuất hiện. Các nhà nghiên cứu phát hiện ra rằng việc thêm ECCD vào rìa plasma sẽ làm giảm lượng dòng điện cần thiết để tạo ra RMP cần thiết để tạo ra các hòn đảo.
Việc tiêm chùm tia vi sóng cũng cho phép các nhà nghiên cứu hoàn thiện kích thước của các đảo để có độ ổn định cạnh plasma tối đa. Nói một cách ẩn dụ, RMP hoạt động giống như một công tắc đèn đơn giản giúp bật các đảo, trong khi ECCD hoạt động giống như một công tắc điều chỉnh độ sáng bổ sung cho phép các nhà nghiên cứu điều chỉnh các đảo theo kích thước lý tưởng để có thể quản lý plasma.
Hu cho biết: “Mô phỏng của chúng tôi cải thiện sự hiểu biết của chúng tôi về các tương tác trong trò chơi”. “Khi ECCD được thêm vào cùng hướng với dòng điện trong plasma, chiều rộng của đảo giảm và áp suất bệ tăng lên. Áp dụng ECCD theo hướng ngược lại tạo ra kết quả ngược lại, chiều rộng đảo tăng lên và áp suất bệ giảm hoặc tạo điều kiện thuận lợi cho việc mở đảo.”
ECCD ở rìa, thay vì lõi
Nghiên cứu này cũng đáng chú ý vì ECCD đã được thêm vào rìa của plasma thay vì lõi, nơi nó thường được sử dụng.
Hu cho biết: “Thông thường, mọi người nghĩ rằng việc áp dụng ECCD cục bộ ở rìa plasma là rủi ro vì vi sóng có thể làm hỏng các bộ phận bên trong tàu”. “Chúng tôi đã chứng minh rằng điều đó có thể thực hiện được và chúng tôi đã chứng minh được tính linh hoạt của phương pháp này. Điều này có thể mở ra những con đường mới cho việc thiết kế các thiết bị trong tương lai.”
Bằng cách giảm lượng dòng điện cần thiết để tạo ra RMP, công việc mô phỏng này cuối cùng có thể dẫn đến giảm chi phí sản xuất năng lượng nhiệt hạch trong các thiết bị nhiệt hạch quy mô thương mại trong tương lai.