Hurtige elektroner og kimen til forstyrrelse

At måle små hurtige elektronpopulationer skjult i et hav af koldere "termiske" elektroner i tokamak-plasmaer er meget udfordrende. Hvorfor? Udfordringen kommer fra, at det hurtige elektronsignal bliver overvældet af termisk elektronsignal i de fleste diagnostik. Fysikere ved University of California-San Diego, med fysikere fra Oak Ridge National Lab og fra General Atomics, har haft held med at måle hurtige elektronpopulationer. De opnåede dette første af sin slags resultat ved at se effekten af ​​de hurtige elektroner på ablationshastigheden af ​​små frosne argon-pellets.

Tokamak forstyrrelser, store ustabiliteter, der lejlighedsvis kan afslutte hele plasmaudladningen, er en stor bekymring for tokamak-konceptet for magnetisk fusionsenergi. Disse forstyrrelser kan danne store hurtige "løbske" elektronstråler, der kan forårsage uacceptabelt store lokaliserede reaktorvæggeskader. Disse hurtige elektronstråler begynder med små, svære at måle hurtige elektron "frø". Frøene dannes i starten af ​​forstyrrelser. Observation af disse frø er et vigtigt første skridt i at forudsige og undgå hurtig elektronskade på karvæggene under tokamak-forstyrrelser.

Tokamak-forstyrrelser er store magnetohydrodynamiske (MHD) ustabiliteter, der kan forekomme, for eksempel, hvis der er en sjælden og uforudset fejl i plasmapositionskontrolsystemet, som får plasmaet til at røre kammervæggene. Disse ustabiliteter forårsager sputtering af vægmateriale, hvor plasmaet rører væggen, og de resulterende urenheder kommer derefter ind i plasmaet, forårsager en urenhed "koldfront", som bevæger sig ind i plasmakernen.

Ved denne koldfront, urenhederne udstråler kraftigt, forårsager et hurtigt fald i plasmatemperaturen. Hvis faldet er hurtigt nok, der kan dannes små hurtige elektronfrø. Disse frø kan accelerere til relativistiske (MeV+ niveau) energier og derefter forstærke deres antal ved lavineprocessen (som også forekommer i lyn, fotomultiplikatorrør, etc.), til sidst danner store hurtige elektronstråler. Måling af de indledende hurtige elektronfrø er vigtigt for tokamaks at forudsige, om og hvornår store hurtige elektronstråler vil dannes, og hvordan man undgår dette.

I øjeblikket, forudsigelser er lavet ved hjælp af to formler:Dreicer-formlen (som forudsætter konstant temperatur) og hot tail-formlen (som forudsætter et meget hurtigt temperaturfald). I DIII-D tokamak, Forskere designede eksperimenter for at danne bevidste forstyrrelser ved at affyre små frosne argon-ispellets i plasmaudledninger. Det varme plasma får argondamp til at fordampe fra pelletoverfladen, danner en koldfront og forstyrrelse.

Den hastighed, hvormed argon fordamper (ablaterer) fra pelletoverfladen er meget følsom over for antallet af hurtige elektroner i plasmaet; ved omhyggelig analyse, det var muligt at adskille de termiske og hurtige elektronpopulationer i plasmaet under de tilsigtede forstyrrelser. Holdet fandt ud af, at de hurtige elektronfrøstørrelser var omkring 100 gange mindre end forudsagt af hot tail-formlen, men omkring 100 gange større end forudsagt af Dreicer-formlen. Disse eksperimenter, derfor, tydeligt demonstrere et behov for forbedrede formler eller simuleringer til at forudsige hurtige elektronfrø under forstyrrelser.