U ITER-u — najvećem eksperimentalnom fuzionom reaktoru na svetu, koji se trenutno gradi u Francuskoj kroz međunarodnu saradnju — nagli prekid magnetnog zatvaranja visokotemperaturne plazme kroz takozvani „poremećaj“ predstavlja veliko otvoreno pitanje. Kao kontramera, tehnike ublažavanja poremećaja, koje omogućavaju prinudno hlađenje plazme kada se otkriju znaci nestabilnosti plazme, predmet su intenzivnog istraživanja širom sveta.
Sada je tim japanskih istraživača iz Nacionalnog instituta za kvantnu nauku i tehnologiju (KST) i Nacionalnog instituta za nauku o fuziji (NIFS) Nacionalnog instituta za nacionalne nauke (NINS) otkrio da dodavanjem približno 5% neona u ledenu kuglicu vodonika, moguće je hladiti plazmu dublje ispod njene površine, a samim tim i efikasnije nego kada se ubrizgavaju čiste ledene kuglice vodonika.
Koristeći teorijske modele i eksperimentalna merenja sa naprednom dijagnostikom na Velikom spiralnom uređaju u vlasništvu NIFS-a, istraživači su razjasnili dinamiku gustog plazmoida koji se formira oko ledene kuglice i identifikovali fizičke mehanizme odgovorne za uspešno poboljšanje performansi sistema prinudnog hlađenja. , što je neophodno za izvođenje eksperimenata na ITER-u. Ovi rezultati će doprineti uspostavljanju tehnologija kontrole plazme za buduće fuzione reaktore. Izveštaj tima je stavljen na internet u Phisical Reviev Letters.
U Francuskoj je kroz međunarodnu saradnju u toku izgradnja najvećeg eksperimentalnog fuzionog reaktora na svetu ITER. Na ITER-u će se sprovoditi eksperimenti za generisanje fuzione energije od 500 MV održavanjem „stanja gorenja“ plazme izotopa vodonika na više od 100 miliona stepeni. Jedna od glavnih prepreka uspehu tih eksperimenata je fenomen koji se zove „poremećaj“ tokom kojeg se konfiguracija magnetnog polja koja se koristi za ograničavanje plazme kolapsira usled magnetohidrodinamičkih nestabilnosti.
Poremećaj uzrokuje da visokotemperaturna plazma teče u unutrašnju površinu posude koja sadrži, što rezultira strukturnim oštećenjima koja, zauzvrat, mogu uzrokovati kašnjenje u eksperimentalnom rasporedu i veće troškove. Iako su mašina i radni uslovi ITER-a pažljivo dizajnirani da bi se izbegli poremećaji, ostaju neizvesnosti i za niz eksperimenata, tako da je potrebna posebna strategija zaštite mašine kao zaštita.
Obećavajuće rešenje za ovaj problem je tehnika koja se zove „ublažavanje poremećaja“, koja prisilno hladi plazmu u fazi kada se detektuju prvi znaci nestabilnosti koje mogu izazvati poremećaj, čime se sprečava oštećenje komponenti materijala okrenutih plazmi. Kao osnovnu strategiju, istraživači razvijaju metodu koristeći ledene pelete vodonika zamrznute na temperaturama ispod 10 Kelvina i ubrizgavaju ih u visokotemperaturnu plazmu.
Ubrizgani led se topi sa površine i isparava i jonizuje usled zagrevanja okolnom visokotemperaturnom plazmom, formirajući sloj plazme niske temperature, visoke gustine (u daljem tekstu „plazmoid“) oko leda. Takav niskotemperaturni plazmoid visoke gustine se meša sa glavnom plazmom, čija se temperatura u tom procesu smanjuje. Međutim, u nedavnim eksperimentima, postalo je jasno da kada se koristi čisti vodonični led, plazmoid se izbacuje pre nego što može da se pomeša sa ciljnom plazmom, što ga čini neefikasnim za hlađenje visokotemperaturne plazme dublje ispod površine.
Ovo izbacivanje je pripisano visokom pritisku plazmoida. Kvalitativno, plazma zatvorena u magnetnom polju u obliku krofne teži da se širi napolje proporcionalno pritisku. Plazmoidi, koji nastaju topljenjem i jonizacijom vodoničnog leda, su hladni, ali veoma gusti. Pošto je temperaturna ravnoteža mnogo brža od ravnoteže gustine, plazmoidni pritisak raste iznad pritiska vruće ciljne plazme. Posledica je da plazmoid postaje polarizovan i doživljava kretanje pomeranja preko magnetnog polja, tako da se širi napolje pre nego što bude u stanju da se potpuno pomeša sa vrelom ciljnom plazmom.
Rešenje ovog problema je predloženo iz teorijske analize: proračuni modela su predvideli da se mešanjem male količine neona u vodonik pritisak plazmoida može smanjiti. Neon se smrzava na temperaturi od približno 20 Kelvina i proizvodi jako linijsko zračenje u plazmoidu. Stoga, ako se neon pomeša sa vodoničnim ledom pre ubrizgavanja, deo energije zagrevanja može se emitovati kao energija fotona.
Da bi se demonstrirao tako blagotvoran efekat korišćenja mešavine vodonik-neon, sprovedena je serija eksperimenata u Velikom spiralnom uređaju (LHD) koji se nalazi u Tokiju, Japan. LHD već dugi niz godina koristi uređaj pod nazivom „injektor čvrstih vodoničnih peleta“ sa visokom pouzdanošću, koji ubrizgava ledene kuglice prečnika približno 3 mm brzinom od 1100 m/s. Zbog visoke pouzdanosti sistema, moguće je ubrizgati vodonični led u plazmu sa vremenskom preciznošću od 1 ms, što omogućava merenje temperature i gustine plazme odmah nakon što se ubrizgani led otopi.
Nedavno je najveća svetska vremenska rezolucija za Thomsonovo rasejanje (TS) od 20 kHz postignuta u LHD sistemu korišćenjem nove laserske tehnologije. Koristeći ovaj sistem, istraživački tim je uhvatio evoluciju plazmoida. Otkrili su da je, kao što je predviđeno teorijskim proračunima, izbacivanje plazmoida potisnuto kada je vodonični led dopiran sa približno 5% neona, u potpunoj suprotnosti sa slučajem kada je ubrizgan čisti vodonični led. Pored toga, eksperimenti su potvrdili da neon igra korisnu ulogu u efikasnom hlađenju plazme.
Rezultati ove studije po prvi put pokazuju da je ubrizgavanje vodoničnih ledenih kuglica dopiranih malom količinom neona u visokotemperaturnu plazmu korisno za efikasno hlađenje dubokog regiona jezgra plazme suzbijanjem izbacivanja plazmoida. Ovaj efekat neonskog dopinga nije zanimljiv samo kao novi eksperimentalni fenomen, već takođe podržava razvoj osnovne strategije ublažavanja poremećaja u ITER-u. Pregled dizajna ITER sistema za ublažavanje poremećaja zakazan je za 2023. godinu, a sadašnji rezultati će pomoći u poboljšanju performansi sistema.
