Simuleringer af DIII-D eksperimenter kaster lys over mystiske plasmastrømme

Forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) og General Atomics har simuleret en mystisk selvorganiseret strøm af det supervarme plasma, der giver næring til fusionsreaktioner. Resultaterne viser, at pumpning af mere varme ind i plasmaets kerne kan drive ustabiliteter, der skaber plasmarotation inde i den doughnut-formede tokamak, der huser den varme ladede gas. Denne rotation kan bruges til at forbedre stabiliteten og ydeevnen af ​​fusionsanordninger.

Resultaterne, rapporteret i januar i bladet Fysisk gennemgangsbreve , bruge første principbaserede plasmaturbulenssimuleringer af eksperimenter udført på DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics driver for DOE i San Diego. Resultaterne kan føre til forbedret kontrol af fusionsreaktioner i ITER, det internationale eksperiment under opbygning i Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionskraft. Støtte til denne forskning kommer fra DOE Office of Science med simuleringer udført ved National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility ved Lawrence Berkeley National Laboratory.

Højenergistråler

For at øge stabiliteten og indeslutningen af ​​plasmaet, en gas sammensat af elektroner og ioner, der ofte kaldes den fjerde tilstand af stof, fysikere har traditionelt indsprøjtet højenergistråler af neutrale atomer. Disse energiske stråler får plasmaets kerne og ydre region til at spinde med forskellige hastigheder, skabe et forskudt flow, eller rotation, der forbedrer stabilitet og indespærring. Et vedvarende mysterium er, hvordan plasmaet nogle gange genererer sit eget afklippede flow, spontant.

Den nye forskning, ledet af PPPL fysikerne Brian Grierson og Weixing Wang, viser, at tilstrækkelig opvarmning af plasmaets kerne genererer en speciel type turbulens, der frembringer et iboende drejningsmoment, eller vridningskraft, som får plasmaet til at generere sin egen forskydningsstrøm. Resultaterne har relevans for store, fremtidige reaktorer, da neutral stråleindsprøjtning kun vil skabe begrænset rotation i de enorme plasmaer inde i sådanne faciliteter.

Selvorganiserende plasmaer

Den kollaborative forskning fra PPPL og General Atomics-forskere fandt ud af, at plasmaer kan organisere sig selv for at producere forskydningsrotation, når varme tilføres på den rigtige måde. Processen fungerer således:

• Opvarmning af plasmaets kerne frembringer turbulens, der svinger i styrke langs gassens radius.
• Udsvingene genererer en "restspænding", der virker som et drejningsmoment, der får de indre og ydre dele af plasmaet til at rotere modsat hinanden med forskellige hastigheder.
• De forskellige rotationshastigheder repræsenterer en balance mellem det turbulensproducerede drejningsmoment og plasmaets viskositet, hvilket forhindrer gassen i at spinde vilkårligt hurtigt.

Forskere brugte GTS-koden til at simulere fysikken i turbulent plasmatransport ved at modellere plasmapartiklernes adfærd, mens de cyklede rundt om magnetfelter. Simuleringen forudsagde rotationsprofilen ved at modellere turbulensens iboende drejningsmoment og diffusionen af ​​dens momentum. Den forudsagte rotation stemte ganske godt, i form og størrelse, med rotationen observeret i DIII-D eksperimenter.

En vigtig næste udfordring bliver at ekstrapolere processerne for ITER. Sådan modellering vil kræve massive simuleringer, der vil skubbe grænserne for de højtydende supercomputere, der er tilgængelige i øjeblikket. "Med omhyggelige eksperimenter og detaljerede simuleringer af fundamental fysik, vi begynder at forstå, hvordan plasmaet skaber sin egen forskydningsrotation, " sagde Grierson. "Dette er et vigtigt skridt på vejen til at optimere plasmaflowet for at gøre fusionsplasmaer mere stabile, og arbejde med høj effektivitet."