Forskere visualiserer energetisk ionstrøm i fusionsenheder

I et brændende plasma er det vigtigt at opretholde indespærring af fusionsproducerede energiske ioner for at producere energi. Disse fusionsplasmaer er vært for en bred vifte af elektromagnetiske bølger, der kan skubbe energiske ioner ud af plasmaet.

Dette reducerer opvarmningen af ​​plasmaet fra fusionsreaktionsprodukter og afslutter den brændende plasmatilstand. Nylige målinger på DIII-D National Fusion Facility giver de første direkte observationer af energiske ioner, der bevæger sig gennem rummet og energi i en tokamak.

Forskere kombinerede disse målinger med avancerede computermodeller af elektromagnetiske bølger, og hvordan de interagerer med energiske ioner. Resultaterne giver en forbedret forståelse af samspillet mellem plasmabølger og energiske ioner i fusionsplasmaer.

Plasmafysik og fusionsforskning bevæger sig fra eksperimentelle faciliteter til demonstrationskraftværksdesign. For at gøre dette træk til en succes, har forskere brug for nøjagtige simuleringer og andre værktøjer, der forudsiger, hvordan kraftværksdesign vil fungere. De fleste nuværende faciliteter producerer ikke brændende plasmaer.

Forskere forstår dog meget af den relevante fysik og udvikler simuleringer til at reproducere observeret eksperimentel adfærd. Den nuværende forskning lavede nye målinger af energisk ionstrøm i DIII-D tokamak. Dette vil fremskynde udviklingen af ​​modeller, der tager højde for alle relevante bølge-ion-interaktionsdynamikker. Denne forbedrede forståelse giver også mulighed for anvendelse af fase-rumteknik.

Forskere kan bruge denne proces til at designe nye fusionsplasmascenarier baseret på forudsagte ideelle interaktioner mellem bølger og ioner. Navnlig kan disse interaktioner også forringe satellitter, så denne forskning kan hjælpe med at forbedre deres pålidelighed.

Forskere ved DIII-D National Fusion Facility, en Department of Energy-brugerfacilitet, har brugt de første målinger fra et nyt diagnostisk system, Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), til at observere strømmen af ​​energiske ioner i en tokamak.

En flerårig indsats for at konceptualisere, designe og bygge INPA har nu givet den første mulighed nogensinde til at observere denne adfærd. Efter at være blevet injiceret i tokamak af neutrale stråler, interagerer energiske ioner med elektromagnetiske plasmabølger og strømmer i energi og position gennem tokamak. Simuleringer reproducerer den observerede adfærd og demonstrerer derved nøjagtigheden af ​​de første princips-modeller til at beskrive den underliggende fysik.

Forbedret forståelse af disse bølge-partikel-interaktioner er relevant for udformningen af ​​fusionskraftværker og forståelsen af ​​plasmas adfærd observeret i det ydre rum.

INPA måler energien af ​​neutrale stråle-injicerede energiske ioner, som har større energier end baggrundsplasmaet, over tid og rumlig position fra den varme plasmakerne til den kolde plasmakant, hvor ionerne kan gå tabt.

Sammen med avancerede højtydende computersimuleringer, der modellerer både spektret af elektromagnetiske bølger og interaktioner med energiske ioner, giver disse eksperimenter den mest detaljerede forståelse af samspillet mellem plasmabølger og energiske ioner i fusionsplasmaer.

Denne forbedrede forståelse giver også forskere mulighed for at anvende fase-rum-teknik, en proces, hvor de designer nye fusionsplasmascenarier baseret på forudsagte ideelle interaktioner mellem bølger og ioner. Disse typer af interaktioner forekommer i det ydre rum.

For eksempel får elektromagnetiske ioncyklotronbølger (EMIC) elektroner til at strømme gennem rummet og energien. I nogle tilfælde er elektroner blevet accelereret, så de forårsager funktionsfejl i satellitter. Forbedret forståelse af bølge-partikel resonans interaktionsprocesser via fusionsplasmaforskning bidrager til simuleringer af plasma fra det ydre rum, hvilket kan forbedre pålideligheden af ​​fremtidige satellitmissioner.

Resultaterne er offentliggjort i tidsskriftet Nuclear Fusion .

Flere oplysninger: X.D. Du et al., Visualisering af hurtig ionfase-rum-flow i plasmaer langt under, tæt på og godt over Alfvén egenmode stabilitetstærskel i tokamak, Nuclear Fusion (2023). DOI:10.1088/1741-4326/acbec5

J. Gonzalez-Martin et al., Modellering af Alfvén-egenmode-induceret fast-ion-flow målt af en billeddannende neutral partikelanalysator, Nuclear Fusion (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac7406

Leveret af det amerikanske energiministerium