Dagens prognose:Sådan forudsiges afgørende plasmatryk i fremtidige fusionsanlæg

Et centralt krav for fremtidige faciliteter, der sigter mod at fange og kontrollere fusionsenergien, der driver solen og stjernerne på jorden, er nøjagtige forudsigelser af plasmaets tryk - det varme, ladet gas, der brænder fusionsreaktioner inde i donutformede tokamakker, der huser reaktionerne. Centralt i disse forudsigelser er at forudsige det pres, som afskrabningslaget, den tynde strimmel gas i kanten af ​​plasmaet, udøver på afledningen - den enhed, der udtømmer spildvarme fra fusionsreaktioner.

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har udviklet ny indsigt i fysikken, der styrer trykbalancen i afskrabningslaget. Denne balance skal sikre, at plasmaets tryk i hele tokamak er højt nok til at frembringe en stort set selvopvarmende fusionsreaktion. Balancen skal også begrænse den potentielt skadelige virkning af varme og plasmapartikler, der rammer aflederen og andre plasma-modstående komponenter i tokamak.

"Tidligere enkle antagelser om trykbalancen i afskrabningslaget er ufuldstændige, "sagde PPPL -fysikeren Michael Churchill, hovedforfatter til en Kernefusion papir, der beskriver de nye fund. "Koderne, der simulerer afskrabningslaget, har ofte smidt vigtige aspekter af fysikken væk, og feltet begynder at genkende dette. "

Fusion, den kraft, der driver solen og stjernerne, er sammensmeltning af lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere søger at kopiere fusion på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til elektricitet.

Nøglefaktorer

Churchill og PPPL-kolleger bestemte de vigtigste faktorer bag trykbalancen ved at køre den topmoderne XGCa-computerkode på Cori og Edison-supercomputerne på National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science brugerfacilitet. Koden behandler plasma på et detaljeret kinetisk - eller partikelbevægelsesniveau i stedet for som en væske.

Blandt de vigtigste træk, der blev fundet, var virkningen af ​​massedriften af ​​ioner, en indvirkning, som tidligere koder stort set har ignoreret. Sådanne drifts "kan spille en integreret rolle", skrev forfatterne, og "er meget vigtige at tage i betragtning."

De kinetiske partikelvirkninger på grund af ioner, der har forskellige temperaturer afhængigt af deres retning, ses også at være vigtige i momentum eller trykbalance. Da temperaturen på ioner er svær at måle i afskrabningslaget, papiret siger, "Der bør gøres en øget diagnostisk indsats for nøjagtigt at måle iontemperaturen og -strømmene og dermed muliggøre en bedre forståelse af ionernes rolle i SOL."

De nye fund kan forbedre forståelsen af ​​afskrabningstrykket ved aflederen, Churchill sagde, og kan føre til nøjagtige prognoser for det internationale ITER-eksperiment under opførelse i Frankrig og andre næste generations tokamaks.