Efisiensi pemanasan plasma pada perangkat fusi didorong oleh layar logam

Memanaskan plasma ke suhu sangat tinggi yang diperlukan untuk reaksi fusi memerlukan lebih dari sekadar memutar tombol pada termostat. Para ilmuwan mempertimbangkan berbagai metode, salah satunya melibatkan penyuntikan gelombang elektromagnetik ke dalam plasma, proses yang sama dengan memanaskan makanan dalam oven microwave. Namun ketika mereka menghasilkan satu jenis gelombang pemanas, kadang-kadang mereka dapat secara bersamaan menciptakan jenis gelombang lain yang tidak memanaskan plasma, sehingga membuang-buang energi.

Menanggapi masalah ini, para ilmuwan di Laboratorium Fisika Plasma Princeton (PPPL) Departemen Energi AS (DOE) telah melakukan simulasi komputer yang mengkonfirmasi teknik yang mencegah produksi gelombang tidak membantu, yang dikenal sebagai mode lambat, yang meningkatkan panas yang dimasukkan ke dalam gelombang. plasma dan meningkatkan efisiensi reaksi fusi.

“Ini adalah pertama kalinya para ilmuwan menggunakan simulasi komputer 2D untuk mengeksplorasi cara mengurangi mode lambat,” kata Eun-Hwa Kim, fisikawan peneliti utama PPPL dan penulis utama makalah ini. kertas melaporkan hasilnya di Fisika Plasma. “Hasilnya dapat menghasilkan pemanasan plasma yang lebih efisien dan kemungkinan jalur yang lebih mudah menuju energi fusi.”

Tim tersebut, termasuk para peneliti dari General Atomics yang menggunakan fasilitas fusi tokamak DIII-D, menetapkan bahwa memposisikan jeruji logam yang dikenal sebagai layar Faraday dengan kemiringan sedikit lima derajat terhadap antena yang menghasilkan gelombang pemanas, yang juga dikenal sebagai gelombang helikon, menghentikan produksi mode lambat. Para peneliti ingin menghindari pembuatan mode lambat, karena tidak seperti gelombang helikon, gelombang tersebut tidak dapat menembus garis medan magnet yang membatasi plasma untuk memanaskan inti, tempat sebagian besar reaksi fusi terjadi. Selain itu, mode lambat mudah teredam atau padam oleh plasma itu sendiri. Oleh karena itu, energi apa pun yang digunakan untuk menciptakan mode lambat adalah energi yang tidak digunakan untuk memanaskan plasma dan mendorong reaksi fusi.

Para peneliti mensimulasikan produksi gelombang helikon dan mode lambat menggunakan kode komputer Petra-M, sebuah program kuat dan serbaguna yang digunakan untuk memodelkan gelombang elektromagnetik dalam perangkat fusi dan plasma ruang angkasa. Simulasi tersebut mereplikasi kondisi di tokamak DIII-D, perangkat plasma berbentuk donat yang dioperasikan oleh General Atomics untuk DOE. Tim melakukan serangkaian eksperimen virtual untuk menguji hal berikut yang memiliki pengaruh terbesar pada produksi mode lambat—penyelarasan antena, penyelarasan layar Faraday, atau kepadatan partikel kecil yang dikenal sebagai elektron di depan antena.

Simulasi tersebut mengkonfirmasi saran yang dibuat oleh para peneliti sebelumnya yang menunjukkan bahwa ketika layar Faraday disejajarkan pada sudut lima derajat atau kurang dari orientasi antena, layar tersebut—sebenarnya—menghubung pendek mode lambat, membuatnya gagal sebelum mode tersebut menyala. merambat ke dalam plasma.

Penekanan mode lambat sangat bergantung pada seberapa besar kemiringan layar Faraday ke samping.

“Kami menemukan bahwa ketika orientasi layar hanya sedikit melebihi lima derajat, mode lambat akan bertambah besar,” kata fisikawan peneliti utama PPPL Masayuki Ono, salah satu penulis makalah tersebut. “Kami terkejut dengan betapa sensitifnya pengembangan mode lambat terhadap penyelarasan layar.”

Para ilmuwan dapat menggunakan informasi ini untuk mengubah desain fasilitas fusi baru agar pemanasannya lebih kuat dan efisien.

Di masa depan, para ilmuwan berencana untuk meningkatkan pemahaman mereka tentang cara mencegah mode lambat dengan menjalankan simulasi komputer yang lebih mempertimbangkan sifat-sifat plasma dan mempertimbangkan lebih banyak informasi tentang antena.