Forskere udfører første simulering af grundlæggende fysik af genanvendte atoms indvirkning på plasmaturbulens

Turbulens, den voldsomt uregerlige forstyrrelse af plasma, kan forhindre plasma i at blive varmt nok til at brænde fusionsreaktioner. Forskernes bekymring har længe været konsekvenserne for turbulens af atomer, der er genbrugt fra tokamaksvægge, der begrænser plasmaet. Disse atomer er neutrale, hvilket betyder, at de ikke har nogen ladning og derfor ikke er påvirket af tokamakens magnetfelt eller plasmaturbulens, i modsætning til elektroner og ioner - eller atomkerner - i plasmaet. Endnu, eksperimenter har antydet, at de neutrale atomer kan øge kantplasma -turbulensen betydeligt, derfor den teoretiske interesse for deres effekter.

I det første grundfysiske forsøg på at studere atomernes indvirkning, fysikere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har modelleret, hvordan de genanvendte neutrale, der opstår, når varmt plasma rammer en tokamaks vægge, øge turbulensen drevet af det, der kaldes "iontemperaturgradient" (ITG). Denne gradient er til stede ved kanten af ​​et fusionsplasma i tokamaks og repræsenterer overgangen fra plasmaets varme kerne til den koldere grænse, der støder op til de omgivende materialeflader.

Ekstrem skala computerkode

Forskere brugte den ekstreme skala XGC1 kinetisk kode til at opnå simuleringen, som repræsenterede det første trin i at undersøge de overordnede betingelser skabt af genbrugsneutrale. "Simulering af plasmaturbulens i kantregionen er ret vanskelig, "sagde fysikeren Daren Stotler." Udviklingen af ​​XGC1 -koden satte os i stand til at indarbejde grundlæggende neutral partikelfysik i kinetiske computerberegninger, på multiscale, med mikroskopisk turbulens og makroskala baggrundsdynamik, "sagde han." Dette var ikke tidligere muligt. "

Resultaterne, rapporteret i journalen Kernefusion i juli, viste, at neutrale atomer forbedrer ITG -turbulens på to måder:

• Først, de køler plasma i piedestalen, eller transportbarriere, ved kanten af ​​plasmaet og derved øge ITG -gradienten.
• Næste, de reducerer de klippede, eller forskellige, plasma rotation. Forskæret rotation reducerer turbulens og hjælper med at stabilisere fusionsplasmaer.

Sammenligning med forsøg

Fremadrettet, forskere planlægger at sammenligne resultaterne af deres model med eksperimentelle observationer, en opgave, der vil kræve mere komplette simuleringer, der omfatter andre turbulenstilstande. Fund kan føre til forbedret forståelse af plasmaovergangen fra lav indespærring til høj indespærring, eller H-mode-den tilstand, hvor fremtidige tokamaks forventes at fungere. Forskere overvejer generelt lavere genbrug, og dermed færre neutrale, som bidrager til drift i H-tilstand. Dette arbejde kan også føre til en bedre forståelse af plasmaydelsen i ITER, det internationale fusionsanlæg under opførelse i Frankrig, hvor den neutrale genbrug kan afvige fra den, der observeres i eksisterende tokamaks.