Sporing af større kilder til energitab i kompakte fusionsanlæg

En vigtig hindring for at kontrollere på Jorden fusionen, der driver solen og stjernerne, er lækage af energi og partikler fra plasma, det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner, der sætter gang i fusionsreaktioner. Ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), fysikere har fokuseret på at validere computersimuleringer, der forudsiger energitab forårsaget af turbulent transport under fusionseksperimenter.

Forskere brugte koder udviklet ved General Atomics (GA) i San Diego til at sammenligne teoretiske forudsigelser af elektron- og ionturbulent transport med resultaterne af den første kampagne af laboratoriets kompakte eller "lave aspektforhold" - National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX) -U). GA, som driver DIII-D National Fusion Facility for DOE, har udviklet koder, der er velegnede til dette formål.

Tokamaks med lavt billedformat er formet som æbler med kernehus, i modsætning til de mere udbredte konventionelle tokamaks, der er formet som doughnuts.

State-of-the-art koder

"Vi har state-of-the-art koder baseret på sofistikeret teori til at forudsige transport, " sagde fysiker Walter Guttenfelder, hovedforfatter af en Kernefusion papir, der rapporterer resultaterne af et team af forskere. "Vi skal nu validere disse koder over en bred vifte af forhold for at være sikre på, at vi kan bruge forudsigelserne til at optimere nuværende og fremtidige eksperimenter."

Analyse af transporten observeret i NSTX-U-eksperimenter viste, at en væsentlig faktor bag tabene var turbulens, der forårsagede, at transporten af ​​elektroner var "unormal, "hvilket betyder, at de spreder sig hurtigt, svarende til den måde, mælk blandes med kaffe, når den røres med en ske. GA-koderne forudsiger, at årsagen til disse tab er en kompleks blanding af tre forskellige typer turbulens.

De observerede resultater åbnede et nyt kapitel i udviklingen af ​​forudsigelser af transport i tokamaks med lavt billedformat - en type fusionsanlæg, der kunne tjene som model for næste generations fusionsreaktorer, der kombinerer lette elementer i form af plasma for at producere energi . Forskere rundt om i verden søger at kopiere fusion på Jorden til en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet.

Forskere ved PPPL sigter nu mod at identificere mekanismerne bag den unormale elektrontransport i en kompakt tokamak. Simuleringer forudsiger, at et sådant energitab stammer fra tilstedeværelsen af ​​tre forskellige typer kompleks turbulens - to typer med relativt lange bølgelængder og en tredje med bølgelængder en brøkdel af størrelsen af ​​de to største.

Påvirkningen af ​​en af ​​de to langbølgetyper, som typisk findes i kernen af ​​tokamaks med lavt billedformat såvel som i kanten af ​​plasmaet i konventionelle tokamaks, skal fuldt ud tages i betragtning ved forudsigelse af transport med lavt billedformat.

Udfordring at simulere

Imidlertid, den kombinerede virkning af alle tre typer turbulens er en udfordring at simulere, da forskere normalt studerer de forskellige bølgelængder hver for sig. Fysikere ved Massachusetts Institute of Technology (MIT) har for nylig udført simuleringer i flere skalaer, og deres arbejde fremhæver den betydelige supercomputertid, som sådanne simuleringer kræver.

Forskere skal nu teste yderligere simuleringer for at opnå mere fuldstændig overensstemmelse mellem forudsigelser af transport og eksperimenter på plasmaer i tokamaks med lavt billedformat. Inkluderet i disse sammenligninger vil være målinger af turbulens taget af University of Wisconsin-Madison medforfattere af Kernefusion papir, der bedre vil begrænse forudsigelser. Forbedret aftale vil give sikkerhed for forudsigelser om energitab for nuværende og fremtidige faciliteter.