Turbulent transport af brintbrændstof i fusionsplasmaer

Ved hjælp af store computersimuleringer, forskningsgruppen Plasma Physics and Fusion Energy ved Institut for Jord- og Rumvidenskab yder vigtige bidrag til Joint European Torus (JET), det største fusionsforsøg, der i øjeblikket er i drift. Simuleringerne giver oplysninger om plasmaturbulens og transport af plasmaer, der ville være umulige eller for dyre at studere eksperimentelt.

Gruppen Plasma Physics and Fusion Energy er involveret i flere internationale projekter med det formål at realisere fusion som energikilde. Forskningen udføres hovedsageligt i samarbejde med Joint European Torus (JET), det største fusionsforsøg, der i øjeblikket er i drift, og er fokuseret på forberedelsen til starten af ​​den eksperimentelle fusionsreaktor ITER, der bygges i Cadarache, Frankrig. Et af de nuværende projekter er fokuseret på at forstå, hvordan brintkernerne, der deltager i fusionsreaktionen, kan genopfyldes ved injektion af brintpiller.

JET er unikt egnet til undersøgelse af ITER -spørgsmål på grund af sin størrelse, og da den deler mange funktioner i ITER -designet, såsom en metallisk (beryllium og wolfram) væg og tritium -kapacitet. Chalmers -forskergruppen bruger data fra JET -eksperimenter til at køre computersimuleringer i stor skala af plasmaturbulensen og den tilhørende transport af partikler og energi.

"Disse numeriske eksperimenter lader os studere turbulensen på et detaljeringsniveau, som ikke er muligt i selve eksperimentet. Vi ser også på virkningen af ​​ændringer i plasmaparametre, der ville være umulige eller for dyre at studere eksperimentelt. Værktøjet, vi bruger til dette er GENE -koden, en såkaldt gyrokinetisk kode, der udvikler partikelfordelingsfunktionen i fem rum- og hastighedsdimensioner, "forklarer Daniel Tegnered, Ph.d. -studerende i gruppen Plasmafysik og fusionsenergi.

Et af de afgørende spørgsmål for ITER er, hvordan plasmapåfyldning skal opnås. Partikler af plasmaet vil uundgåeligt gå tabt, både til væggen, da partikelindeslutningen ikke vil være perfekt, og også gennem selve fusionsreaktionerne, som forbruger brintkerner. Dette gør kontinuerlig tankning af plasmaet en nødvendighed. For ITER, såkaldt pelletbrændstof påtænkes, hvorved pellets indeholdende passende hydrogenisotoper injiceres ved høje hastigheder i plasmaet. Imidlertid, pellets vil ikke være i stand til at nå den centrale del af plasmaet med de højeste tætheder og temperaturer, før de ableres. Dette vil forstyrre plasmaets temperatur- og densitetsprofiler, forårsager et "bump" i plasmatætheden som vist på billedet. Disse partikler skal derefter transporteres indad ved diffusion og konvektion forårsaget af turbulensen.

"Vores simuleringer af pelletdrevne JET-udledninger har vist, at turbulensen under visse betingelser kan stabiliseres i denne region på grund af" bump "i densitet og temperatur, ”siger Daniel Tegnered.

Yderligere simuleringer af forhold, der mere ligner ITER, har også vist, at et højere forhold mellem plastryk og magnetisk tryk, et parameter, der er vigtigt for den økonomiske levedygtighed af fremtidige fusionsreaktorer, tjener også til at stabilisere turbulensen i denne region. Dette reducerer igen den indadgående partikelstrømning, potentielt gør pelletbrændstof mindre effektivt. Yderligere analyse og simuleringer af ITER-lignende JET-udladninger vil være afgørende for en vellykket udvikling af plasmascenarier for ITER.