Kollisioner ændrer, hvor hurtigt ioner surfer på plasmabølger i fusionseksperimenter og videre

Ligesom der er bølger i havet, kan bølger også forekomme i en elektrisk ladet gas kaldet plasma, der består af elektroner og ioner. I havet surfer folk ved at køre på deres boards med næsten samme hastighed som bølgerne. Denne matchende tilstand, kaldet resonans, gør det muligt for bølgen effektivt at skubbe surferen ved at udveksle energi.

I plasmaer kan surferne være meget hurtige ioner, hvilket kan opstå i fusionsapparater som følge af fusionsreaktioner eller andre processer, der bruges til at opvarme plasmaet. Disse hurtige ioner gør ofte det modsatte af surfere i havet - de giver energi til bølgerne, hvilket får dem til at vokse i størrelse. Mens resonanspartiklerne udveksler energi med bølgerne, bliver de også stødt af andre partikler i plasmaet gennem tilfældige kollisioner.

Typen af ​​disse kollisioner, og hvor ofte de forekommer, bestemmer, hvor store bølgerne bliver, og hvor meget partiklerne vil skvulpe rundt. Hvis bølgerne bliver for store eller for mange, kan de sparke de surfende partikler ud af enheden, hvilket udgør en potentiel fare for væggene og også reducerer mængden af ​​produceret fusionsenergi.

Plasmaet i fusionsreaktorer skal konstant opvarmes for at opretholde de temperaturer, der er nødvendige for at producere energi. De hurtige ioner, der opvarmer plasmaet, kan dog også give resonans med bølger i plasmaet. Dette kan få disse bølger til at vokse og potentielt sparke de hurtige ioner ud af enheden.

Forskere er nødt til at forstå resonansinteraktioner mellem hurtige ioner og plasmabølger for at forudsige og afbøde eventuelle negative virkninger. En undersøgelse, nu offentliggjort i Physical Review Letters , kombineret matematiske beregninger med computersimuleringer for at afsløre, hvordan forskellige typer kollisioner konkurrerer om at bestemme, hvordan energi overføres mellem de resonante partikler og plasmabølgerne.

Forskere bruger denne nye forståelse til at formulere modeller for, hvordan man holder plasmaer varme nok til at opretholde fusionsreaktioner. Problemet med resonansbølge-partikelplasma er også relevant for nogle gravitationsinteraktioner i galakser. Det betyder, at metoderne i dette projekt kan anvendes til astrofysisk forskning, herunder arbejde med mørkt stof.

I fusionsforsøg holder hurtige ioner plasmaet varmt nok til at smelte sammen ved at give deres energi til baggrundsplasmaet gennem kollisioner med elektroner. Der forekommer to forskellige typer kollisioner:diffus spredning og konvektiv modstand. Diffusive kollisioner er den samme type, der fører til spredning af billardbolde på et poolbord.

I mellemtiden er trækkollisioner ansvarlige for den kraft, du føler på din hånd, når du stikker den ud af vinduet i en kørende bil. Afhængigt af de hurtige ioners hastighed og plasmaets temperatur konkurrerer hver type kollision om at udøve en større indflydelse på de hurtige ioners opførsel. Specifikt gør større hurtige ionhastigheder modstand vigtigere, hvorimod højere plasmatemperatur favoriserer diffusion.

Samtidig med at de hurtige ioner opvarmer baggrundsplasmaet gennem kollisioner, kan de også interagere resonant med plasmabølger, som virker til at sive deres energi, hvilket potentielt afkøler plasmaet. Uden nogen kollisioner opstår der kun resonans mellem de hurtige ioner og bølger, når partikelhastigheden nøjagtigt matcher bølgens hastighed.

Forskere har længe vidst, at diffusive kollisioner virker til at "udtvære" resonansen, hvilket tillader partikler effektivt at udveksle energi med bølgen, selvom deres hastighed er en smule hurtigere eller langsommere, end bølgen bevæger sig. Den nye opdagelse fra denne forskning er, at når træk er til stede, ændrer denne type kollision hastigheden, hvormed resonansen opstår, hvilket betyder, at energi faktisk udveksles mest effektivt, når der er en lille forskel mellem hastigheden af ​​den hurtige ion og plasmaet bølger.

I denne undersøgelse karakteriserede forskere styrken af ​​bølge-partikel-interaktionen med et matematisk objekt kaldet resonansfunktionen, som afhænger af forskellen mellem bølge- og partikelhastigheden. Når trækkollisionerne sker meget oftere end de diffuse, sker der noget endnu mere bizart – der er helt nye hastigheder, hvor effektiv energioverførsel bliver mulig.

Dette fænomen skaber effektivt nye resonanser, der slet ikke eksisterede uden træk, repræsenteret af nye toppe, der dukker op i resonansfunktionen, og udvider resonansinteraktionens rækkevidde. Resonansfunktionen, der er afledt helt teoretisk, bestemmer, hvor store bølgerne bliver af at føde på den frie energi fra de resonante hurtige ioner, og også hvordan disse partikler vil blive sparket rundt af bølgen.

Ikke-lineære computersimuleringer fandt fremragende overensstemmelse med de teoretiske forudsigelser, bekræfter gyldigheden af ​​den afledte resonansfunktion for enhver kombination af de to typer kollisioner og fremmer vores grundlæggende forståelse af, hvordan kollisioner påvirker resonansbølge-partikel-interaktioner i plasmaer. Med den grundlæggende teori verificeret, kan den nu trygt anvendes til at forbedre de koder, der bruges til at simulere, hvor hurtigt ioner opfører sig i fusionsenheder, et afgørende skridt på vejen til at udvikle kommercielle fusionskraftværker.

Flere oplysninger: V. N. Duarte et al., Shifting and Splitting of Resonance Lines due to Dynamical Friction in Plasmas, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.105101

Journaloplysninger: Physical Review Letters

Leveret af det amerikanske energiministerium