Mens fugle kvidrer, plasma burde ikke:Ny indsigt kan fremme fusionsenergi

Forskere ved US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fremmet forståelsen af ​​en barriere, der kan forhindre donutformede fusionsfaciliteter kendt som tokamaks i at operere med høj effektivitet ved at forårsage, at vital varme går tabt fra dem.

Anført af PPPL -fysikeren Roscoe White, forskergruppen brugte computere til at simulere en type plasmabevægelse, der kan støde stærkt energiske partikler fra kernen til kanten, et fænomen, der kunne forekomme i ITER, den multinationale tokamak, der bygges i Frankrig for at demonstrere muligheden for fusion som energikilde.

"For at enhver fusionsenhed skal fungere, du skal sørge for, at de meget energiske partikler i den er meget godt begrænset i plasmakernen, "sagde PPPL -fysikeren Vinícius Duarte, medlem af forskergruppen, der rapporterede resultaterne i Plasmas fysik . "Hvis disse partikler driver til plasmaets kant, du kan ikke opretholde det steady-state brændende plasma, der er nødvendigt for at gøre fusionsdrevet elektricitet til virkelighed. "

Duarte refererer til et fænomen kaldet "kvidren", der opstår, når frekvensen af ​​plasmabølgerne, der interagerer med stærkt energiske partikler, pludselig ændres, i sidste ende får energi til at flygte fra plasmakernen og producere hurtigt skiftende toner. De nye fund, som belyser aspekter af hvordan kvidren dannes i en tokamak, kunne hjælpe forskere med at finde ud af, hvordan de kan modvirke kvidren og holde sig i den livsvigtige varme. Forebyggelse af de pludselige frekvensændringer kan også beskytte tokamak -væggene mod pludselig frigivelse af koncentrerede og skadelige energibeslag.

Fusion kombinerer lette elementer i form af plasma - det varme, ladet tilstand af stof sammensat af frie elektroner og atomkerner - og genererer enorme mængder energi i stjernerne. Forskere sigter mod at replikere fusion i enheder på Jorden for en praktisk talt uudtømmelig forsyning af sikker og ren strøm til at generere elektricitet.

Forskerne brugte computersimuleringer, der viser meget detaljerede visninger af bevægelsen af ​​plasmapartikelkonglomerationer for at afsløre nogle af de mekanismer, der er ansvarlige for kvidren, giver håb om, at forskere kan finde måder at forbedre dens virkninger. Forskere brugte PPPL -koden ORBIT til at beregne, hvordan plasmapartiklers position og hastighed ændres over tid i tre dimensioner. Simuleringerne viste, at kvidren begynder, når partikler med hurtig bevægelse i kernen interagerer med bølger, der bølger gennem plasmaet og spontant danner klumper, der migrerer til plasmakanten. Resultaterne bekræfter tidligere resultater baseret på forenklede tokamak -konfigurationer; de afslører også rigere og mere kompleks dynamik, der ikke er set før.

Denne interaktion med plasmapartikler får frekvensen af ​​de såkaldte plasma Alfvén-bølger til at stige og falde samtidigt, katapulterer klumperne ud mod plasmakanten og nogle gange ind i væggen. "De værktøjer, der er udviklet i denne forskning, har muliggjort et indblik i det komplicerede, selvorganiseret dynamik af kvidren i en tokamak, "Sagde Duarte.

Forskerne måtte oprette nye virtuelle værktøjer til at observere bevægelsen af ​​de simulerede bølger med de nødvendige detaljer. "Det sværeste var at opfinde diagnosen, der rent ville vise, hvad der foregik, "sagde White." I en vis forstand, det er som at bygge et mikroskop, der lader dig se, hvad du skal se. "

De nye fund fortsætter en mangeårig indsats fra medlemmer af PPPL Theory Department, der fokuserer på at forstå kvidren, især inden for PPPL's ​​National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U). "Hvis du forstår det, "siger White, "du kan finde måder at drive fusionsfaciliteter på uden det."