Een baanbrekende ontdekking zou de levering van gecontroleerde fusie-energie aan de aarde kunnen versnellen

Onderzoekers onder leiding van Zhang Liu van PPPL hebben een veelbelovende aanpak onthuld om de schade van op hol geslagen elektronen, veroorzaakt door turbulentie in tokamak-fusie-apparaten, te beperken. De sleutel tot deze aanpak was het benutten van een uniek type plasmagolf, genoemd naar astrofysicus Hans Alvvén, de Nobelprijswinnaar uit 1970.

Het is al lang bekend dat Alfvén-golven de opsluiting van hoogenergetische deeltjes in tokamak-reactoren losmaken, waardoor sommige kunnen ontsnappen en de efficiëntie van de donutvormige apparaten verminderen. Nieuwe bevindingen van Zhang Liu en onderzoekers van General Atomics, Columbia University en PPPL hebben echter nuttige resultaten opgeleverd in het geval van op hol geslagen elektronen.

Merkbaar circulair

Wetenschappers ontdekten dat een dergelijke loslating hoogenergetische elektronen zou kunnen verstrooien of verstrooien voordat ze in lawines veranderen die de componenten van de tokamak beschadigen. Er is vastgesteld dat dit proces opmerkelijk circulair verloopt: de vluchtelingen creëren instabiliteiten die aanleiding geven tot Alfvén-golven die de vorming van de lawine voorkomen.

“Deze bevindingen bieden een uitgebreide verklaring voor de directe observatie van Alfvévén-golven in verstoringsexperimenten”, zegt Liu, onderzoeker bij PPPL en hoofdauteur van een artikel waarin de bevindingen in verstoringsexperimenten worden beschreven. Fysieke beoordelingsbrieven. “De resultaten tonen een duidelijk verband aan tussen deze patronen en het genereren van op hol geslagen elektronen.”

De onderzoekers leidden een theorie af voor het waargenomen circuit van deze interacties. De resultaten komen goed overeen met de vluchtelingen uit experimenten die zijn uitgevoerd in de National Fusion Facility DIII-D, een tokamak van het Department of Energy, beheerd door General Atomics voor het Office of Science. Tests van de theorie zijn ook positief gebleken op de Summit-supercomputer in het Oak Ridge National Laboratory.

“Het werk van Zhang Liu laat zien dat de omvang van de pool van ontsnappende elektronen kan worden beheerst door instabiliteiten die worden veroorzaakt door de ontsnappende elektronen zelf”, zegt Felix Parra Diaz, hoofd theorie bij PPPL. “Zijn onderzoek is erg spannend omdat het kan leiden tot tokamak-ontwerpen die op natuurlijke wijze de op hol geslagen elektronenschade door inherente instabiliteit beperken.”

Thermisch blussen

De turbulentie begint met een scherpe daling van de miljoenen graden temperatuur die nodig is voor fusiereacties. Deze druppels, die ‘thermische uitdoving’ worden genoemd, veroorzaken aardverschuivingslawines die vergelijkbaar zijn met aardverschuivingen veroorzaakt door aardbevingen. “Het beheersen van turbulentie is een grote uitdaging voor het succes van tokamak”, zei Liu.

Fusiereacties combineren lichtelementen in de vorm van plasma – de hete, geladen toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen die ionen worden genoemd – om de enorme energie vrij te geven die de zon en de sterren aandrijft. Het beperken van het risico op turbulentie en weggelopen elektronen zou dus een uniek voordeel opleveren voor tokamak-faciliteiten die zijn ontworpen om het proces te reproduceren.

Het beperken van het risico op turbulentie en weggelopen elektronen zou dus een uniek voordeel opleveren voor tokamak-faciliteiten die zijn ontworpen om het proces te reproduceren.

De nieuwe aanpak zou gevolgen kunnen hebben voor de voortgang van het ITER-project, een internationale tokamak die in Frankrijk in aanbouw is om de praktische toepassing van fusie-energie te demonstreren, en zou een belangrijke stap kunnen betekenen in de ontwikkeling van fusie-energiecentrales.

“Onze bevindingen maken de weg vrij voor het creëren van nieuwe strategieën om op hol geslagen elektronen te verminderen,” zei Liu. Nu in de planningsfase zijn er experimentele campagnes waarin de drie onderzoekscentra de verbazingwekkende resultaten verder willen ontwikkelen.