Opdagelse om kanten af ​​fusionsplasma kunne hjælpe med at realisere fusionskraft

En stor blokering for at producere sikker, ren og rigelig fusionsenergi på Jorden er manglen på detaljeret forståelse for, hvordan den varme, ladet plasmagas, der brænder fusionsreaktioner, opfører sig ved kanten af ​​fusionsfaciliteter kaldet "tokamaks". Nylige gennembrud af forskere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har avanceret forståelse af adfærden af ​​den meget komplekse plasmakant i doughnut-formede tokamaks på vejen til at fange fusionsenergien, der driver solen og stjerner. At forstå dette kantområde vil være særligt vigtigt for driften af ​​ITER, det internationale fusionseksperiment under opførelse i Frankrig for at demonstrere det praktiske ved fusionsenergi.

Første af slagsen

Blandt de første af sin slags fund har været opdagelsen af, at det at tage højde for de turbulente udsving i de magnetiske felter, der begrænser plasmaet, der brænder for fusionsreaktioner, kan reducere den turbulente partikelflux nær plasmakanten betydeligt. Computersimuleringer viser, at nettopartikelfluxen kan falde med så meget som 30 procent, på trods af, at den gennemsnitlige størrelse af turbulente partikeltæthedsudsving stiger med 60 procent - hvilket indikerer, at selvom de turbulente tæthedsudsving er mere virulente, de flytter partikler ud af enheden mindre effektivt.

Forskere har udviklet en specialiseret kode kaldet "Gkeyll" - udtales ligesom "Jekyll" i Robert Louis Stevensons "The Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde" - som gør disse simuleringer mulige. Den matematiske kode, en form for modellering kaldet "gyrokinetik, " simulerer plasmapartiklers kredsløb omkring magnetfeltlinjerne ved kanten af ​​et fusionsplasma.

"Vores seneste papir opsummerer Gkeyll -gruppens indsats inden for gyrokinetisk simulering, " sagde PPPL-fysiker Ammar Hakim, hovedforfatter til et Physics of Plasmas -papir, der giver et overblik over gruppens resultater, baseret på en inviteret tale, han holdt på American Physical Society's Division of Plasma Physics (APS-DPP) konference sidste efterår. Forskningen, medforfatter af forskere fra seks institutioner, tilpasser en state-of-the-art algoritme til det gyrokinetiske system for at udvikle de "nøglenumeriske gennembrud, der er nødvendige for at give nøjagtige simuleringer, " sagde Hakim.

Verdensomspændende indsats

Sådanne gennembrud er en del af den verdensomspændende indsats for at forstå videnskaben bag produktionen af ​​fusionsreaktioner på Jorden. Fusionsreaktioner kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet stoftilstand sammensat af frie elektroner og atomkerner, der udgør 99 procent af det synlige univers - for at generere enorme mængder energi, der kunne give en praktisk talt uudtømmelig strømforsyning til at generere elektricitet til menneskeheden.

Noah Mandell, en kandidatstuderende i Princeton University Program i Plasma Physics, bygget på holdets arbejde med at udvikle den første gyrokinetiske kode, der er i stand til at håndtere magnetiske udsving i det, der kaldes plasmascrape-off-laget (SOL) ved kanten af ​​tokamak-plasmaer. Briterne Journal of Plasma Physics har udgivet og fremhævet sin rapport som en fremhævet artikel.

Mandell udforsker, hvordan klatlignende plasmaturbulens bøjer magnetfeltlinjer, fører til dynamikken i "dansende feltlinjer." Han finder ud af, at feltlinjer normalt bevæger sig jævnt, men når dansen kan brat omkonfigureres til genforbindelsesbegivenheder, der får dem til at konvergere og voldsomt gå i stykker.

Mandells fund beskrives bedst som "proof-of-concept" med hensyn til de magnetiske udsving, han sagde. "Vi ved, at der er flere fysiske effekter, der skal tilføjes til koden for detaljerede sammenligninger med eksperimenter, men allerede nu viser simuleringerne interessante egenskaber nær plasmakanten, " sagde han. "Evnen til at håndtere bøjning af de magnetiske feltlinjer vil også være afgørende for fremtidige simuleringer af kantlokaliserede tilstande (ELM'er), som vi gerne vil gøre bedre for at forstå de varmeudbrud, de forårsager, som skal kontrolleres for at forhindre tokamak-skader."

Meget udfordrende

Det, der gør dette fund unikt, er, at tidligere gyrokinetiske koder har simuleret SOL -klatter, men antaget, at feltlinjerne var stive, Mandell bemærkede. Udvidelse af en gyrokinetisk kode til at beregne bevægelsen af ​​magnetiske feltlinjer er beregningsmæssigt meget udfordrende, kræver specielle algoritmer for at sikre, at to store led balancerer hinanden med en nøjagtighed på bedre end 1 del i en million.

I øvrigt, mens koder, der modellerer turbulens i kernen af ​​tokamak, kan omfatte magnetiske udsving, sådanne koder kan ikke simulere SOL-regionen. "SOL kræver specialiserede koder som Gkeyll, der kan håndtere meget større plasmafluktuationer og interaktioner med reaktorens vægge, " sagde Mandell.

Fremtidige skridt for Gkeyll-gruppen vil omfatte undersøgelse af den præcise fysiske mekanisme, der påvirker dynamikken i plasmakanten, en effekt sandsynligvis forbundet med bøjningsfeltlinjerne. "Dette arbejde giver trædesten, som jeg synes er meget vigtige, "Sagde Hakim." Uden de algoritmer, vi lavede, disse resultater ville være meget vanskelige at anvende på ITER og andre maskiner."