Ny turbulent transportmodellering viser flerskalaudsving i opvarmet plasma

Forskere ved DIII-D National Fusion Facility, en DOE Office of Science -brugerfacilitet, der drives af General Atomics, brugte en "reduceret fysik" flydende model for plasmaturbulens til at forklare uventede egenskaber ved densitetsprofilen inde i et tokamak -eksperiment. Modellering af plasmas turbulente adfærd kan hjælpe forskere med at optimere tokamak -ydelsen i fremtidige fusionsreaktorer som ITER.

Anvendelse af varme i en tokamak producerer mange interessante fænomener, såsom ændringer i plasmarotation og tæthed. DIII-D forskere modellerede, hvordan forskellige typer opvarmning, som mikrobølger, der producerer elektronopvarmning eller neutrale stråler, der producerer ionopvarmning, påvirker plasmatætheden, urenheder og turbulent transport. De forskellige opvarmningsmetoder driver turbulens ved de lange (ion) skalaer og meget kortere (elektron) skalaer, der ligger ved grænsen til turbulens computersimuleringer.

Deres fund, rapporterede denne uge i Plasmas fysik , viste, at opvarmning af elektronerne i en fusionsreaktor forårsagede vigtige ændringer i densitetsgradienter i plasmaet. Deres "fanget gyro-Landau-væske" (TGLF) model forudsagde, at tilføjelse af varme ophidset turbulens, ved bølgelængder mellem ion- og elektronskalaen, og ville producere en partikelklem, der modificerer plasmaets samlede tæthedsprofil. Derudover i denne avis, forskere brugte deres reducerede transportmodel til at forudsige urenhedstransport i en fusionsreaktor.

Brian Grierson, en fysiker fra Princeton Plasma Physics Laboratory, der arbejder som forsker ved DIII-D National Fusion Facility i San Diego, sagde, at "når du opvarmer plasmaet, du ændrer ikke bare temperaturen, du ændrer den type turbulens, der findes, og det har sekundære konsekvenser for transporten af ​​plasmatæthed og plasmarotationen. "

Generelt, varme, der strømmer fra det varme plasmacenter til den kolde plasmakant, driver turbulent diffusion, som skal virke til at flade densitetsgradienten. "Men det fascinerende er, at nogle gange påføring af varme i en fusionsreaktor får den til at producere en densitetsgradient frem for at flade den, " sagde Grierson. Denne tæthedstopping er signifikant, fordi fusionsreaktionen mellem deuterium- og tritiumpartikler i en tokamak stiger, når tætheden af ​​plasmaet stiger. Med andre ord, han sagde, "fusionskraft er proportional med [plasma] densiteten i kvadrat."

Grierson krediterer Gary Staebler, en medforfatter på papiret, som General Atomics -teoretikeren bag TGLF, modellen testet i dette papir. TGLF er en reduceret fysikmodel af den "fulde fysik" gyrokinetiske kode GYRO til turbulent transport, som skal køres på supercomputere. Ved hjælp af denne mere omkostningseffektive TGLF-model, forskere var i stand til at udføre koden med forskellige eksperimentelle målinger og input hundredvis af gange for at kvantificere, hvordan usikkerheder i de eksperimentelle data påvirker den teoretiske fortolkning.

Fremadrettet, Grierson håber, at disse fund vil hjælpe informere forskning for at fremme fusionssamfundets forståelse af ekstremt små udsving og urenhedstransport inden for et plasma.

"Vi er nødt til at forstå transport under ion- og elektronopvarmning for at kunne projicere til fremtidige reaktorer, fordi fusionskraftreaktorer vil have både ion- og elektronopvarmning, "Grierson sagde." Dette resultat identificerer, hvad vi skal undersøge med de beregningsmæssigt udfordrende fulde fysik -simuleringer for at verificere partikels interaktion, momentum og urenhedstransport med opvarmning."