Simuleringer demonstrerer ionopvarmning ved plasmaoscillationer til fusionsenergi

Det lykkedes et forskerhold af fusionsforskere at bevise, at ioner kan opvarmes af plasmaoscillationer drevet af højenergipartikler. Dette er blevet bekræftet ved at udføre en storstilet simulering med et nyudviklet hybrid-simuleringsprogram, der forbinder beregninger for plasmaoscillationer, højenergipartikler og ioner. Denne forskning vil fremskynde studier af plasma-selvopvarmning for at realisere fusionsenergi.

Fusionsreaktionen mellem deuteriumion og tritiumion i et højtemperaturplasma vil blive brugt i fusionsreaktorer i fremtiden. De højenergiske alfapartikler, der genereres af fusionsreaktionen, giver deres energi til plasmaet, og denne plasma-selvopvarmning opretholder den høje temperaturtilstand, der kræves til fusionsreaktionen. Imidlertid, vi har det problem, at opvarmningen af ​​brændselsioner er svag, fordi højenergipartiklerne giver det meste af deres energi til elektroner gennem kollisioner med elektronerne. For at øge ionopvarmningshastigheden, det foreslås, at ioner kan opvarmes af plasmaoscillationerne drevet af højenergipartiklerne. Imidlertid, denne ionopvarmningsmekanisme er endnu ikke blevet bekræftet.

Forskerholdet af adjunkt Hao Wang og professor Yasushi Todo fra National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) foretog forskning i ionopvarmning ved plasmaoscillationer ved hjælp af computersimuleringer.

Professor Todo har tidligere udviklet et computerprogram, der samtidigt kan simulere plasmaets tilstand som helhed, som behandles som væske, og bevægelsen af ​​højenergipartikler i et plasma. Dette program, fordi det forbinder og beregner væsken og partiklerne, kaldes hybrid-simuleringsprogrammet. Det sætter os i stand til at studere samspillet mellem plasmaoscillationerne og højenergipartiklerne. Programmet er højt evalueret blandt fusionsforskere, og flere simuleringsstudier, der bruger programmet, er nu i gang.

Imidlertid, for at studere ionopvarmning ved plasmaoscillationer drevet af højenergipartikler, det er nødvendigt at udvide hybrid-simuleringsprogrammet for at simulere ionbevægelser påvirket af plasmasvingningerne. Det er lykkedes forskerholdet at udvikle et nyt hybrid-simuleringsprogram ved at beregne ioner i et plasma som partikler og ved at forbinde de tre slags beregninger for plasmasvingningerne, højenergipartiklerne, og ionerne. Ved at bruge det nye hybrid-simuleringsprogram, de udførte en storstilet simulering på supercomputeren vedrørende plasma genereret i Large Helical Device (LHD). (På LHD, vi udnytter de højenergibrintpartikler, der er inde i plasmaet, til at studere plasmaoscillationer drevet af højenergipartikler.) Den nye hybridsimulering viser tydeligt, at ioner får energi fra plasmasvingninger, der exciteres af højenergipartiklerne. Dette indikerer, at ionopvarmningshastigheden i et selvopvarmende plasma kan øges ved at bruge plasmaoscillationerne.

Dermed, forskerholdet har bevist ionopvarmning ved plasmasvingninger for første gang i verden. På baggrund af resultaterne af denne undersøgelse, forskningen i selvopvarmende plasma til realisering af fusionsenergi vil blive fremskyndet.

Dette forskningsresultat blev offentliggjort som Wang, et al. "Simulering af energiske partikeldrevne geodætiske akustiske tilstande og energikanaliseringen i plasmaer fra Large Helical Device" i Kernefusion i august 2019.