Lab tager et detaljeret kig på 2-D struktur af turbulens i tokamaks

En vigtig hindring for fusionsforskere er at forstå turbulens, krusninger og hvirvler, der kan få superhot -plasmaet, der brænder fusionsreaktioner, til at lække varme og partikler og forhindre fusion i at finde sted. At forstå og reducere turbulens vil lette udviklingen af ​​fusion som en sikker, ren og rigelig energikilde til produktion af elektricitet fra kraftværker rundt om i verden.

Ved U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), forskere har samlet en stor database med detaljerede målinger af den todimensionale (2-D) struktur af kantplasma-turbulens, der er synliggjort ved hjælp af en diagnostisk teknik kendt som gaspuff-billeddannelse. De to dimensioner, målt inde i en fusionsenhed kaldet en tokamak, repræsenterer den radiale og lodrette struktur af turbulensen.

Træd mod en mere fuldstændig forståelse

"Denne undersøgelse er et trinvis skridt i retning af en mere fuldstændig forståelse af turbulens, "sagde fysiker Stewart Zweben, hovedforfatter af forskningen offentliggjort i tidsskriftet Plasmas fysik . "Det kunne hjælpe os med at forstå, hvordan turbulens fungerer som hovedårsagen til lækage af plasmaindeslutning."

Fusion forekommer naturligt i rummet, fusionere lyselementerne i plasma for at frigive energien, der driver solen og stjernerne. På jorden, forskere skaber fusion i faciliteter som tokamaks, som styrer det varme plasma med magnetfelter. Men turbulens får ofte varme til at lække fra dens magnetiske indeslutning.

PPPL-forskere har nu gået ud over tidligere publicerede karakteriseringer af turbulens og analyseret dataene for at fokusere på 2-D rumlige korrelationer inden for turbulensen. Denne sammenhæng giver spor til oprindelsen til den turbulente adfærd, der forårsager lækage af varme og partikler, og vil tjene som et yderligere grundlag for at teste computersimuleringer af turbulens mod empiriske beviser.

Undersøgelse af 20 udledninger af plasma

Papiret undersøgte 20 udledninger af plasma valgt som en repræsentativ prøve af dem, der blev oprettet i PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX) forud for dets seneste opgradering. Ved hver af disse udledninger et gaspust oplyste turbulensen nær kanten af ​​plasmaet, hvor turbulens er af særlig interesse. Pustene, en kilde til neutrale atomer, der lyser som reaktion på densitetsændringer inden for et veldefineret område, tillod forskere at se udsving i turbulensens tæthed. Et hurtigt kamera registrerede det resulterende lys med en hastighed på 400, 000 billeder i sekundet over en billedrammestørrelse på 64 pixels bred og 80 pixels høj.

Zweben og medforfattere udførte beregningsanalyse af dataene fra kameraet, bestemmelse af sammenhængene mellem forskellige områder af rammerne, når de turbulente hvirvler bevægede sig gennem dem. "Vi observerer mønstrene i den rumlige struktur, "Sagde Zweben." Du kan sammenligne det med strukturen af ​​skyer, der driver forbi. Nogle store skyer kan masses sammen, eller der kan være et brud med bare almindelig himmel. "

Detaljeret visning af turbulens

Korrelationerne giver et detaljeret billede af arten af ​​plasmaturbulens. "Enkle ting om turbulens som dens størrelse og tidsskala har længe været kendt, "sagde PPPL -fysikeren Daren Stotler, en medforfatter af papiret. "Disse simuleringer tager et dybt dyk ned i et andet niveau for at se på, hvordan turbulens i en del af plasmaet varierer med hensyn til turbulens i en anden del."

I den resulterende grafik, et blåt kryds angiver fokuspunktet for en beregning; de røde og gule områder omkring korset er områder, hvor turbulensen udvikler sig på samme måde som turbulensen ved brændpunktet. Længere væk, forskere fandt regioner, hvor turbulensen ændrer sig modsat ændringerne i fokuspunktet. Disse områder længere væk vises som blå nuancer i grafikken, med det gule kryds, der angiver punktet med den mest negative korrelation.

For eksempel, hvis de røde og gule billeder var et område med turbulens med høj densitet, de blå billeder angav lav densitet. "Tæthedsstigningen skal komme et sted, "sagde Zweben." Måske fra de blå egne. "

Fremadrettet, kendskab til disse korrelationer kunne bruges til at forudsige opførsel af turbulens i magnetisk begrænset plasma. Succes med indsatsen kunne uddybe forståelsen af ​​en grundlæggende årsag til tab af varme fra fusionsreaktioner.