Afklaring af mekanismen til undertrykkelse af turbulens gennem ionmasse

Søger at forbedre plasmaydelsen yderligere, fra 7. marts 2017, plasmaforsøg ved anvendelse af deuteriumioner, der har det dobbelte af brintmassen, blev indledt i Large Helical Device (LHD) på National Institute for Fusion Science (NIFS). I talrige plasmaforsøg, der udføres i lande rundt om i verden, brugen af ​​deuterium forbedrer indeslutningen af ​​varme og partikler. Det er, fænomenet kaldet "ion masse effekt, "hvor plasmaydelsen er forbedret, observeres. Imidlertid, vi forstår endnu ikke den detaljerede fysiske mekanisme for, hvordan stigningen i ionmasse er knyttet til præstationsforbedring. Dette har været et af de vigtigste uløste problemer inden for plasmafysik og fusionsforskning fra begyndelsen.

I plasmaerne, der er begrænset til magnetfeltet, er der forskellige typer bølger. Under særlige forhold vokser disse bølger med tiden, og den såkaldte "ustabilitet" opstår, og plasmaet bliver turbulent. Ifølge forskning til dato, der har vist sig at forekomme en unik strømningsstruktur kaldet "zonal flow", der dannes spontant i et turbulent plasma. Zonale strømme tager den stribe struktur, der flyder i den modsatte retning til hinanden, og disse strømme vides at spille en vigtig rolle i undertrykkelsen af ​​turbulensen. Imidlertid, der er stadig mange uklarede aspekter vedrørende de betingelser, hvormed turbulens og zonestrømme dannes. Hvis påvirkninger forårsaget af forskelle i ionmasse kan afklares teoretisk, vi kan præcist forudsige indeslutningsforbedringer, der observeres i forsøg. Og fordi vi kan koble indespærringsforbedring til yderligere forbedring af plasmapræstationer, der forventes ny udvikling inden for forskning.

Forskergruppen for professor Motoki Nakata, gennem samarbejde med professor Tomohiko Watanabe fra Nagoya University, gennemført femdimensionale plasmaturbulenssimuleringer ved hjælp af "Plasma Simulator" på NIFS og den banebrydende supercomputer "K" på RIKEN Advanced Institute for Computational Science for at analysere ustabilitet (fanget elektronmode) forårsaget af elektroner, der bevæger sig frem og tilbage langs magnetfeltlinjerne og for detaljeret at analysere turbulensen genereret af ustabiliteten. Som resultat, vi præciserede, at ionmassens indflydelse optrådte bemærkelsesværdigt i et plasma med høj densitet, og at den detaljerede fysiske mekanisme, hvor turbulens undertrykkes gennem en effekt forårsaget af elektron-ion-kollisioner. Yderligere, vi opdagede, at disse fænomener eksisterer i både spiralformede og tokamakplasmaer. Dermed, vi var i stand til at tydeliggøre "ionmasseeffekten" bredt observeret og en af ​​de vigtige mekanismer til forbedring af plasmapræstationer.

Den detaljerede mekanisme, der undertrykker turbulens, forklares nedenfor. Turbulens forårsaget af fanget elektroninstabilitet svækker indeslutningen af ​​plasmavarme og partikler. Kollisionerne mellem fangede elektroner og ioner undertrykker ustabilitet (undertrykker væksten af ​​bølger). Ved en fast temperatur, kollisioner forekommer ofte ved højere plasmatætheder. Her, virkningerne af kollisioner i deuteriumplasma er bemærkelsesværdige i forhold til brint. Som resultat, turbulens kan undertrykkes (figur 1). Yderligere, vi præciserede, at i den tilstand, hvor ustabiliteten er svækket, "zonestrømmen" bliver stærkere og undertrykker yderligere turbulensen ved at slibe store hvirvler og bølger, og til sidst forbedrer indeslutningen af ​​varme og partikler (figur 2).

Som det er blevet præciseret ovenfor, et fuldstændigt billede af turbulensundertrykkelse i et plasma med stor ionmasse kan udtrykkes skematisk som i figur 3. Disse forskningsresultater giver grundlæggende viden om fuldstændig afklaring af "ionmasseeffekten", som i mange år var et uløst problem inden for plasmafysik og fusionsforskning. Yderligere, resultaterne forventes at være gavnlige til forbedring af plasma, ikke kun i spiralformede enheder såsom LHD, men også i tokamaks repræsenteret af International Thermonuclear Experimental Reactor (ITER), som i øjeblikket er under opførelse.