Ny test af modellen forbedrer tilliden til ITER's ydeevne

Forskere, der søger at bringe fusion - kraften, der driver solen og stjernerne - ned til Jorden, skal først gøre den tilstand af stof, der kaldes plasma, supervarm nok til at opretholde fusionsreaktioner. Det kræver opvarmning af plasmaet til mange gange temperaturen af ​​solens kerne. I ITER, det internationale fusionsanlæg, der bygges i Frankrig for at demonstrere gennemførligheden af ​​fusionskraft, enheden opvarmer både de frie elektroner og de atomkerner – eller ioner – der udgør plasmaet. Spørgsmålet er, hvad vil denne varmeblanding gøre ved plasmaets temperatur og tæthed, som er afgørende for fusionsproduktionen?

Ny forskning tyder på, at forståelsen af ​​den kombinerede opvarmning viser, hvordan vi kunne forbedre produktionen af ​​fusion i ITER og andre næste generations fusionsfaciliteter - en nøglekonstatering af fysikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), DIII-D National Fusion Facility, som General Atomics driver for DOE, og andre samarbejdspartnere. "Dette viser, hvad der sker, når elektronopvarmning føjes til ionopvarmning, " sagde PPPL fysiker Brian Grierson, der ledede test af en computermodel, der projicerede DIII-D resultaterne til ITER.

Modellen, skabt af Gary Staebler fra General Atomics og rapporteret i et papir i Plasmas fysik med Grierson som første forfatter, undersøgte DIII-D eksperimentelle resultater under forhold, der efterlignede dem, der forventes i ITER. Diagnostik leveret af University of Wisconsin-Madison og University of California, Los Angeles målte den resulterende turbulens, eller tilfældige udsving og hvirvler, der fandt sted i plasmaet.

Multiskala turbulens

Målingerne afslørede turbulens med korte til lange bølgelængder forårsaget af elektron- og ionopvarmning, henholdsvis. Kombinationen producerede "multiscale" turbulens, der ændrede den måde, partikler og varme lækker fra plasmaet. Turbulens kan reducere hastigheden af ​​fusionsreaktioner.

Den kombinerede elektron- og ionopvarmning ændrede gradienten, eller rumlig ændringshastighed i plasmadensiteten. Denne konstatering var væsentlig, fordi den fusionskraft, som ITER og andre næste-generations tokamaks producerer, vil stige, efterhånden som tætheden vokser. I øvrigt, stigningen fandt sted uden at få urenheder til at samle sig i plasmaets kerne og afkøle det, som kunne standse fusionsreaktioner.

Forskerne brugte en "reduceret fysik"-model kaldet TGLF, der forenklede de massivt parallelle og dyre simuleringer af multiskala turbulens, der kræver millioner af timers computertid på supercomputere. Forskerne kørte denne forenklede version hundredvis af gange på PPPL-computere for at teste virkningen på modellen af ​​usikkerheder, der stammer fra DIII-D-eksperimenterne.

"TGLF-modellen udnytter de svage turbulensegenskaber af tokamaks som ITER, " sagde Staebler. "Den beregner cirka plasmatransporten milliarder af gange hurtigere end en gyrokinetisk multiskala turbulenssimulering, der køres på højtydende supercomputere."

Påvirkning af elektronopvarmning

Modellen så specifikt på virkningen af ​​elektronopvarmning på den samlede opvarmningsmix. Forskere producerer en sådan opvarmning ved at rette mikrobølgerne mod elektronerne, der svinger omkring magnetfeltlinjer - en proces, der øger elektronernes termiske energi, overfører det til ionerne gennem kollisioner, og supplerer opvarmningen af ​​ionerne ved neutral stråleindsprøjtning.

Resultater indikerede, at studier af multiskala turbulens vil være afgørende for at forstå, hvordan man håndterer multiskalaeffekten på transport af varme, partikler og momentum i næste generation af tokamaks, eller fusionsudstyr, Grierson bemærkede. "Vi er nødt til at forstå transport under ion- og elektronopvarmning for selvsikkert at projicere til fremtidige reaktorer, " han sagde, "fordi fusionskraftværker vil have begge typer opvarmning."