Fysikere får forståelse for, hvordan bobler ved kanten af ​​plasmaer kan dræne varme og reducere effektiviteten af ​​fusionsreaktionen

At fusionere brintatomer til helium, doughnut-formede enheder kaldet tokamaks skal opretholde varmen fra det ultravarme plasma, de kontrollerer. Men som kogende vand, plasma har klatter, eller bobler, som siver inden for plasmakanten, reducerer plasmaets ydeevne ved at fjerne varme, der opretholder fusionsreaktionerne.

Nu, forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har gennemført nye simuleringer, der kan give indsigt i, hvordan klatter ved plasmakanten opfører sig. Simuleringerne, produceret af en kode kaldet XGC1 udviklet af et landshold baseret på PPPL, udførte kinetiske simuleringer af to forskellige områder af plasmakanten samtidigt. Denne evne giver et mere fundamentalt og fyldigere billede af, hvordan varme bevæger sig fra plasma til væggene, potentielt forårsage skade.

"I simuleringer, vi adskiller ofte to områder ved plasmakanten kendt som piedestal og afskrabningslaget og fokuserer på det ene eller det andet, " sagde PPPL-fysiker Michael Churchill, hovedforfatter på et papir, der beskriver resultaterne i tidsskriftet Plasmafysik og kontrolleret fusion . "XGC1 er unik, fordi den er i stand til at simulere begge regioner samtidigt, ved hjælp af kinetiske ion- og elektronligninger. Faktisk, det er vigtigt at inkludere begge regioner i simuleringer, fordi de påvirker hinanden."

Simuleringer gør det muligt for forskere at udforske plasma, den fjerde og varmeste tilstand af stof, hvor elektroner er adskilt fra atomkerner, uden at køre fysiske eksperimenter, der kan være dyre. De giver også nogle gange indsigt, som fysiske eksperimenter ikke gør. Simuleringer af turbulens ved kanten af ​​plasmaet, tæt på, hvor plasmaet nærmer sig en tokamaks indvendige væg, er særligt vigtige. Jo mere videnskabsmænd forstår sådan turbulens, jo bedre vil de være i stand til at forhindre, at bevægelige klatter af plasma dannes i plasmakanten. Hvis ikke kontrolleret, disse klatter kunne dræne store mængder varme fra det indelukkede plasma, og muligvis enten beskadige plasma-vendende komponenter eller hindre fusionsreaktionerne.

XGC1-koden simulerede plasma i høj indeslutningstilstand, eller H-tilstand, et sæt betingelser, der hjælper plasma med at holde på varmen. I H-tilstand, resultaterne viste, der dannes et stort antal klatter mellem piedestalen og afskrabningslaget, to forhold nær kanten, og bevæger sig mod yderkanten, krydser de magnetiske feltlinjer, mens de går.

Blobs spiller en vigtig rolle i den udadgående bevægelse af partikler i plasma. Blobs forårsager cirka 50 procent af partikeltabet ved plasmakanten, og forskere har observeret klatter i en lang række plasmaenheder, inklusive tokamaks, otte-figur-formede fusionsenheder kendt som stellaratorer, og lineære maskiner. "Det store billede er, at klatter kan trække energi og partikler ud af plasmaet, og det vil du ikke, " sagde Churchill. "Du vil holde tingene indespærret."