Ny forklaring på pludselige varmekollaps i plasma kan hjælpe med at skabe fusionsenergi på Jorden

Forskere, der søger at bringe fusionen, der driver solen og stjernerne til Jorden, skal håndtere savtandens ustabilitet-svingninger op og ned i det centrale tryk og temperaturen i plasmaet, der brænder fusionsreaktioner, ligner en savs savtænder. Hvis disse gynger er store nok, de kan føre til det pludselige sammenbrud af hele plasmaudladningen. Sådanne svingninger blev først observeret i 1974 og har hidtil unddraget en bredt accepteret teori, der forklarer eksperimentelle observationer.

I overensstemmelse med observationer

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har foreslået en ny teori for at forklare de svingninger, der forekommer i donutformede tokamakker, eller fusionsfaciliteter. Teorien, skabt gennem high-fidelity computersimuleringer, virker i overensstemmelse med observationer foretaget under tokamak -eksperimenter, sagde forskerne. At forstå processen kan vise sig at være afgørende for næste generations fusionsfaciliteter som ITER, det internationale eksperiment under opførelse i Frankrig for at demonstrere praktisk fusionskraft.

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - der genererer enorme mængder energi. Forskere, der søger at replikere fusion på jorden, har til hensigt at levere en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at producere elektricitet.

De seneste fund viser, at når trykket i plasmaets kerne når et bestemt punkt, andre ustabilitet kan være begejstrede, der producerer det pludselige tryk og temperaturfald. Disse ustabilitet skaber forvirrede - eller stokastiske - magnetfelter i kernen af ​​plasmaet, der forårsager sammenbruddet, sagde fysiker Stephen Jardin, hovedforfatter til et papir, der beskriver processen i Plasmas fysik og fremhævet i en fremhævet American Institute of Physics -publikation kaldet "SciLight".

"De fleste tokamak -udladninger udviser savtænder, "Sagde Jardin, "og vi forsøger at give teorien om fysikken bag dem."

De nye fund afviger skarpt fra en langvarig teori om, at forårsagelse af svingninger er en ustabilitet, der fører til magnetisk genforbindelse-at bryde fra hinanden og snappe sammen af ​​magnetfeltlinjerne i plasma. "Den teori har eksisteret i over 40 år, "Sagde Jardin.

Motivering af den nye teori

Motiverende til den nye teori er tidligere PPPL -forskning, der demonstrerer, hvordan den ustabilitet, man troede kunne føre til magnetisk genforbindelse, kan faktisk, selvstabiliserer plasmaet. Det gør det ved at producere en lokaliseret spænding, der forhindrer, at strømmen i plasmaets kerne når sit højdepunkt tilstrækkeligt til at blive genstand for magnetisk genforbindelse.

Den nye forklaring siger, at selvom den magnetiske genforbindelse undertrykkes, en stigning i varmen i kernen af ​​plasmaet kan ophidse lokaliserede ustabilitet, der virker sammen for at flade tryk og temperatur under savtandcyklussen. Simuleringer produceret af koder udviklet af Jardin og PPPL -fysiker Nate Ferraro, en medforfatter af papiret, demonstrere denne proces. De nye ustabilitet kan vokse meget hurtigt, i overensstemmelse med det hurtige sammenbrud af varme set i eksperimenter, som den traditionelle teori ikke kan forklare.

Denne avancerede model giver en ny måde at forstå savtandfænomener på. Ser frem til, forskerne ønsker at undersøge modellens anvendelighed på opgaver som f.eks. at beskrive udviklingen af ​​"monstersav" og bruge kraftfulde radiofrekvensantenner til at styre savtænder. "Vi ønsker at udvikle en simuleringsmodel af et helt tokamak -plasma, "Sagde Jardin, "og denne nye teori om savtænderne er en vigtig del af indsatsen."