Opvarmning ved afkøling

Området for magnetisk fusionsforskning har mysterier til overs. Sådan begrænses turbulent plasmabrændstof i et doughnutformet vakuumkammer, gør det varmt og tæt nok til, at fusion finder sted, har genereret spørgsmål - og svar - i årtier.

Som kandidatstuderende under ledelse af Institut for Nuclear Science and Engineering Professor Anne White, Pablo Rodriguez-Fernandez Ph.d. '19 blev fascineret af et fusionsforskningsmysterium, der var forblevet uløst i 20 år. Hans nye observationer og efterfølgende modellering hjalp med at give svaret, tjene ham Del Favero -prisen.

Fokus for hans speciale er plasma turbulens, og hvordan varme transporteres fra den varme kerne til kanten af ​​plasmaet i en tokamak. Eksperimenter over 20 år har vist, at under visse omstændigheder, afkøling af plasmakanten resulterer i, at kernen bliver varmere.

"Når du køler kanten af ​​plasmaet ved at injicere urenheder, hvad enhver standardteori og intuition ville fortælle dig er, at en kold puls formerer sig, så i sidste ende også kernetemperaturen vil falde. Men det, vi observerede, er, at under visse forhold, når vi sænker kantens temperatur, kernen blev varmere. Det er en slags opvarmning ved afkøling. "

Den kontraintuitive observation blev ikke understøttet af nogen eksisterende teori om plasmeadfærd.

"Det faktum, at vores teori ikke kan forklare noget, der sker så ofte i eksperimenter, får os til at stille spørgsmålstegn ved disse modeller, "Siger Rodriquez-Fernandez." Skal vi stole på dem til at forudsige, hvad der vil ske i fremtidige fusionsenheder? "

Disse modeller var grundlaget for at forudsige ydeevne i Plasma Science and Fusion Center's Alcator C-Mod tokamak, som ikke længere er i drift. De bruges i øjeblikket til ITER, den næste generations maskine, der konstrueres i Frankrig, og SPARC, den tokamak, PSFC forfølger med Commonwealth Fusion Systems.

For at løse mysteriet, Rodriguez-Fernandez lærte kompleks kodning, der ville tillade ham at køre simuleringer af kantkølende eksperimenter. Da han manuelt afkølede kanten i sine tidlige simuleringer, imidlertid, hans modeller formåede ikke at gengive den kerneopvarmning, der blev observeret i de faktiske forsøg.

Omhyggeligt studere data fra Alcator C-Mod eksperimenter, Rodriguez-Fernandez indså, at de urenheder, der blev injiceret for at afkøle plasmaet, ikke kun forstyrrer temperaturen, men hver parameter, herunder densiteten.

"Vi forstyrrer tætheden, fordi vi introducerer flere partikler i plasmaet. Jeg kiggede på data fra Alcator C-Mod, og jeg så hele tiden disse bump i tæthed. Folk har ignoreret dem for evigt."

Med nye tæthedsforstyrrelser at introducere i hans simulering, han var i stand til at simulere den kerneopvarmning, der var blevet observeret i så mange forsøg rundt om i verden i mere end to årtier. Disse fund blev grundlaget for en artikel i Fysisk gennemgangsbreve ( PRL ).

For at styrke sit speciale, Rodriguez-Fernandez ønskede at bruge den samme model til at forudsige reaktionen på kantkøling i en meget anderledes tokamak-DIII-D i San Diego, Californien. På det tidspunkt, denne tokamak havde ikke evnen til at køre et sådant eksperiment, men MIT -teamet, ledet af forsker Nathan Howard, installeret et nyt laserablationssystem til injicering af urenheder og kolde pulser i maskinen. De efterfølgende forsøg kørt på DIII-D viste, at forudsigelserne var nøjagtige.

"Dette var yderligere støtte til, at mit svar på mysteriet og mine forudsigelige simuleringer var korrekte, "siger Rodriguez-Fernandez." Det faktum, at vi kan gengive kernevarme ved kantkøling i en simulering, og for mere end en tokamak, betyder, at vi kan forstå fysikken bag fænomenet. Og hvad er vigtigere, det giver os tillid til, at de modeller, vi har til C-Mod og SPARC, ikke er forkerte. "

Rodriquez-Fernandez noterer det fremragende kollegiale miljø på PSFC, samt et stærkt eksternt samarbejdsnetværk. Hans samarbejdspartnere omfatter Gary Staebler hos General Atomics, hjem til DIII-D, der forfattede Trapped Gyro-Landau Fluid transportmodellen, der blev brugt til hans simuleringer; Princeton Plasma Physics Laboratory forskere Brian Grierson og Xingqiu Yuan, som er eksperter i et modelleringsværktøj kaldet TRANSP, der var uvurderligt for hans arbejde; og Clemente Angioni ved Max-Planck Institute for Plasma Physics in Garching, Tyskland, hvis eksperimenter på ASDEX Upgrade tokamak understøttede resultaterne fra PRL -artiklen.

Nu postdoc hos PSFC, Rodriguez-Fernandez bruger halvdelen af ​​sin tid til SPARC og halvdelen til DIII-D og ASDEX Upgrade. Med alle disse projekter, han bruger simuleringerne fra sin ph.d. afhandling om at udvikle teknikker til forudsigelse og optimering af tokamak -ydeevne.

Postdoc indrømmer, at tidspunktet for hans afhandling ikke kunne have været bedre, ligesom SPARC -projektet tog fart. Han sluttede sig hurtigt til det team, der designer enheden og arbejder på fysikbasis.

Som en del af ceremonien 5. december, hvor Rodriguez Fernandez vil modtage Del Favero -specialeprisen, han vil diskutere hans, hvordan hans specialeforskning er forbundet med hans nuværende arbejde med at forudsige SPARC -ydeevne. Etableret i 2014 med en generøs gave fra alun James Del Favero SM '84, prisen uddeles årligt til en ph.d. kandidat i NSE, hvis afhandling vurderes at have gjort det mest innovative fremskridt inden for atomvidenskab og teknik.

"Det er meget spændende, "siger han." SPARC -projektet driver mig virkelig. Jeg ser en fremtid her for mig, og til fusion. "

Denne historie er genudgivet med tilladelse fra MIT News (web.mit.edu/newsoffice/), et populært websted, der dækker nyheder om MIT -forskning, innovation og undervisning.