Kernfusie: vooruitgang in magnetische opsluiting

In tegenstelling tot kernsplijting, waarbij een zware kern uiteenvalt om twee lichtere kernen te maken, bestaat fusie, een proces dat de kernen van sterren van brandstof voorziet, uit het combineren van twee lichte atoomkernen om een ​​zwaardere kern te maken. Het repliceren van de omstandigheden die bevorderlijk zijn voor fusie is een uitdaging, aangezien deze reacties plaatsvinden bij extreme drukken en temperaturen van honderden miljoenen graden. Onder deze omstandigheden wordt materie beperkt door een magnetisch veld in de vorm van een plasma, een geïoniseerd gas onder invloed van warmte, waarin elektronen en atoomkernen vrij ronddraaien.

Het magnetische veld dat het plasma opsluit, vertoont echter afwijkingen, klein maar voldoende om het gesmolten materiaal te laten drijven en vervolgens het verdwijnen van de fusiereactie. Een studie gepubliceerd in het tijdschrift fysieke beoordelingsberichten Hij licht een veelbelovende methode toe die het mogelijk maakt om deze onregelmatigheden te compenseren.

Magnetische opsluiting, om de reactie in te dammen en in stand te houden

Om de fusiereactie te stimuleren, gebruiken de onderzoekers de methode om de plasmadeeltjes op te sluiten door een magnetisch veld, in het bijzonder met behulp van een tokamak (een Russisch acroniem dat “ringkernkamer met magnetische spoelen” betekent). Het zijn ringvormige structuren, torii genaamd, waarrond spoelen zijn geïnstalleerd die een magnetisch veld creëren.

Creatie van poloïdale spoelen die het magnetische veld zullen genereren in de tokamak van de Internationale Thermonucleaire Experimentele Reactor (ITER) in Saint-Paul-les-Durance in Zuid-Frankrijk. Credits: Clement Mahudou/AFP

Het idee is om de geladen plasmadeeltjes op gesloten paden te houden, zonder te dicht bij het midden van de ring of de buitenmuren te komen. Het gebruik van een magnetisch veld, samen met het leveren van warmte aan de buitenmuren, maakt het mogelijk om het plasma te verwarmen tot temperaturen die geschikt zijn voor kernfusie en om het opgesloten te houden. Momenteel is het onderzoek gericht op de haalbaarheid van kernfusie als industrieel proces. Vooral qua magnetische configuratie: deze ontstaat dankzij de spoelen die de ring omringen.

Het magnetische veld is gemoduleerd en heeft vervormingen

Maar de baan van de deeltjes is niet praktisch hetzelfde. Allereerst zijn de spoelen die de tokamak omringen beperkt in aantal: het magnetische veld dat het produceert, in plaats van uniform en assymmetrisch te zijn, moduleert, en de modulatie ervan hangt af van de afstand tussen de spoelen. Wetenschappers van Cadarache CEA werken aan dit probleem, waaronder Xavier Garbet, die licht werpen op Wetenschap en de toekomst Over de kwestie van onderzoek naar kernfusie.

Bovendien, vanwege een Onvolledige uitlijning van de spoelen die het magnetische veld genereren, hebben onregelmatige vervormingen die het plasma onstabiel maken. Deze uitlijnfouten zijn minuscuul, tot tienduizendsten van een magnetische veldwaarde, maar genoeg om een ​​grote impact te maken. Inderdaad, de kleinste afwijking in de uitlijning leidt tot een verschil in het magnetische veld en leidt tot instabiliteit in het plasma.

Ten slotte worden instabiliteiten gegenereerd in het plasma zelf, onafhankelijk van magnetische veldfouten. Om de intrinsieke plasma-instabiliteit te compenseren, worden extra magneten geplaatst, binnen of buiten de tokamak. “Het effect zal nog groter zijn als het dicht bij het gesmolten plasma wordt geplaatst.” Xavier Garbet, een onderzoeker bij het Research Institute of Fusion Magnétique (IRFM), legt uit.

Maar deze magneten voegen andere effecten toe: terwijl ze het plasma stabiliseren, vertragen ze het ook. Deze remming kan vervolgens leiden tot het ontstaan ​​van nieuwe instabiliteiten, maar ook tot de verdrijving van deeltjes uit het plasma, vooral alfadeeltjes (heliumkernen). Deze zijn nodig om de temperatuur van het plasma te handhaven, zodat het verlies ervan kan leiden tot een afname van de reactie. Aan dit probleem hebben onderzoekers gewerkt bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE).

Semi-symmetrie om vervormingen te verwijderen zonder bijwerkingen

Om deze bijwerkingen van de extra magneten te voorkomen, werkte het team van onderzoekers van Princeton aan quasi-symmetrie, een klasse van magnetische verstoringen die de spiraalvormige baan van plasmadeeltjes veranderen. Dit pad, zelfs als het niet “symmetrisch” is in de strikte zin van het woord, beperkt ook het plasma.

De techniek van de onderzoekers is om extra verstoringen te creëren die de oorspronkelijke fouten compenseren. “Een manier om de rotatie te behouden en tegelijkertijd de stabiliteit te waarborgen, is door de vorm van het magnetische veld te veranderen, zodat de deeltjes zich gedragen alsof er geen vervorming in het magnetische veld is.”, kondigt in a aan Communicatie PPPL-natuurkundige Jung Kyu Park, hoofdauteur van de studie.

Om dit te doen, voerden de onderzoekers eerst flowmetrie uit in de tokamak. Dankzij deze meting leiden ze de magnetische veldfouten af ​​en berekenen vervolgens het aan te leggen veld en compenseren ze. “We moeten een bijna symmetrisch 3D-magnetisch veld in het plasma bouwen om de deeltjes te misleiden en ze te laten gedragen alsof ze niet worden beïnvloed door het veld.”Parket voltooid.

Aandoeningen in de eerste testfase

Vervolgens gebruikten ze spoelen die al in de tokamak waren geplaatst om daar “quasi-symmetrische” magnetische storingen te creëren: die geen symmetrie rond een as creëren, maar het toch mogelijk maken om het plasma op te sluiten. Er werden tests uitgevoerd op DIII-D tokamaks in San Diego en KSTAR in Zuid-Korea, waarbij ze observeerden of er een remmend effect was zoals bij andere magnetische verstoringen.

De resultaten waren opwindend: geen beperkingseffect of deeltjesverlies! Werkwijze “Biedt een betrouwbare methode voor het volledig optimaliseren van magnetische veldfouten in fusieplasma’s.”, In overeenstemming met artikel. “Dit werk zou de basis kunnen zijn waarop toekomstige controlestrategieën voor deze gebieden zullen worden ontwikkeld.”verklaarde Baz Soldan, co-auteur van de uitgeverij en Tokamak DIII-D-natuurkundige.

Het valt nog te bezien of deze verstoringen hun primaire taak vervullen, namelijk het verminderen van plasma-instabiliteit. Tenslotte, “de laatste stap”Dit concept zal worden toegepast op ITER, zei Park, “Dus we kunnen de foutvelden in deze tokamak corrigeren.”