Kvidring er velkommen hos fugle, men ikke i fusionsanordninger - forskere viser, at svag turbulens gør chibren mere sandsynlig

Fugle gør det og det samme gør donutformede fusionsfaciliteter kaldet "tokamaks". Men tokamak -kvidren - en hastighedsskiftende frekvensbølge, der kan være langt over, hvad det menneskelige øre kan registrere - er næppe velkommen til forskere, der søger at bringe fusionen, der driver solen og stjernerne til Jorden. Sådan kvidren signalerer et varmetab, der kan bremse fusionsreaktioner, et tab, der længe har undret forskere.

Sammensætningen af ​​puslespillet er, at nogle tokamaks kvidrer hyppigere end andre. For eksempel, kvidre er almindeligvis forekommet i National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Laboratory (PPPL), men har været sjældne i DIII-D National Fusion Facility tokamak, som General Atomics driver for DOE i San Diego. At forstå, hvorfor nogle tokamakker kvidrer og nogle ikke er vigtigt, så forskere kan forudsige og til sidst lære at undgå sådan kvidren i ITER -tokamak, den internationale fusionsreaktor, der er ved at blive bygget i det sydlige Frankrig for at demonstrere, at fusionsenergi er praktisk.

I en fusionsreaktor som ITER, fusionsreaktioner producerer "hurtige ioner" - meget energiske atomkerner, som forskere stoler på for at opretholde de høje plasmatemperaturer, der er nødvendige for at holde plasmaet varmt. Sådanne ioner er som en hurtig vind, der, under visse betingelser, kan ophidse bølger kaldet "Alfvén -bølger" i det varme plasma - meget gerne de musikalske toner, der frembringes ved at blæse i et blæseinstrument. Hvis den hurtige ionvind er stærk nok begynder Alfvén -bølgerne at kvidre, hvilket vil medføre tab af energi, reducering af plasmatemperatur og fusionseffekt.

Tilstande, der fører til kvidren

Forskere under ledelse af PPPL -forskere har nu modelleret de plasmaforhold, der giver anledning til kvidren og forudsiger, hvornår det vil forekomme. Computermodellen, testet med succes på DIII-D tokamak, beskriver virkningen af ​​turbulens - den tilfældige udsving i plasma, der kan føre til varme og partikeltab - på de hurtige ioner. Modellen viser, at turbulensen i plasmaet hjælper med at bryde op eller sprede den hurtige ionvind. Hvis spredningen er stærk nok, har de hurtige ioner ikke længere styrke til at forårsage Alfvén -bølgeskvidren, og varmetabet fra plasmaet kan reduceres.

Indtil for nylig, at finde direkte bevis for turbulensens rolle i at påvirke styrken af ​​den hurtige ionvind og dens rolle i kvidren har været udfordrende. Nylige DIII-D-eksperimenter har nu afsløret den intime forbindelse mellem turbulensniveauer og plasmaets kvidren.

I disse forsøg, den hurtige ionvind frembragte en enkelt Alfvén -note i plasmaet, meget gerne en enkelt tone i et blæseinstrument. Derefter, når plasmaet spontant overgår til en ny forbedret indesluttet tilstand med lave turbulensniveauer, Alfvén -tonen begynder at kvidre hurtigt.

Denne begyndelse af kvidren er klart knyttet til reduktionen af ​​turbulens, da lavere turbulens ikke længere kan sprede den hurtige ionvind, lader den bygge tilstrækkeligt op til at drive Alfvén -bølgerne hårdere og få dem til at begynde at kvidre. "Den sammenhængende bevægelse af hurtige ionklaser, når turbulensen falder, giver anledning til kvidren og lækage og varme forbundet med kvidren, "sagde Vinícius Duarte, en PPPL -associeret forskningsfysiker og tidligere gæsteforsker fra University of São Paulo, Brasilien, der er hovedforfatter til et papir, der beskriver fundene i Plasmas fysik og fremhævede som en "Scilight" - et videnskabeligt højdepunkt - af American Institute of Physics.

Hvorfor nogle plasmer kvidre

Teorien udviklet af Duarte angiver også, hvorfor nogle plasmaer kvidrer, og nogle ikke. Forklaringen er, at turbulens er meget mindre effektiv til at sprede den hurtige ionvind i nogle enheder sammenlignet med andre. Det næste trin vil være at bruge denne viden til at designe metoder til at forhindre kvidren i nuværende eksperimenter, og at bruge sådanne metoder til design af fremtidige fusionsreaktorer som ITER.