Onderzoekers die aan de DIII-D tokamak in San Diego werken, laten zien hoe plasmatransport en atoomfysica samenkomen om oplossingen voor vermogensuitlaat te bieden.

Een van de grote uitdagingen waarmee fusiewetenschappers worden geconfronteerd, is het omgaan met de enorme stroomstromen die worden uitgeput door fusieplasma's, die zijn gemaakt in apparaten die tokamaks worden genoemd, zoals de DIII-D National Fusion Facility. Aan zijn lot overgelaten, de intense kracht die in een tokamak-plasma wordt gedragen, zou in zo'n klein gebied worden geconcentreerd dat het al het materiaal dat op zijn weg komt snel zou vernietigen.

De standaardstrategie voor het omgaan met de vermogensuitlaat in reactoren is om de warmte om te zetten in elektromagnetische straling, die de kracht gelijkmatiger verdeelt en de metalen wanden rondom het plasma een vechtkans geeft. Dit proces vindt plaats in de divertor van de tokamak, een apparaat dat dient als een buffergebied tussen het fuserende plasma en de omringende kamerwanden.

Tot nu, simulaties hebben veel minder straling voorspeld dan wordt gemeten in experimenten. Dit wordt toegeschreven aan de zeer gecompliceerde combinatie van atomaire en moleculaire fysica die in het divertorgebied speelt, wat een uitdaging is om volledig in simulaties op te nemen. Onderzoekers van DIII-D hebben een andere benadering gekozen om het probleem te bestuderen:elimineer de moleculaire fysica uit het experiment door plasma's te laten draaien met helium, een edelgas dat geen moleculen vormt (Figuur 1).

Deze experimenten hebben aangetoond dat de straling volledig kan worden gereproduceerd in simulaties, op voorwaarde dat de parameters van het divertorplasma nauwkeurig worden verantwoord (Figuur 2). Het doen van deze boekhouding was afhankelijk van het afstemmen van de dichtheid die direct in de divertor werd gemeten - een meting die uniek beschikbaar is bij DIII-D. Met behulp van metingen in de verder verwijderde rand van het hoofdplasma als invoer voor de simulatie, zoals gewoonlijk wordt gedaan, is niet goed genoeg, naar buiten brengen dat er een schakel ontbreekt in het plasmatransport dat het hoofdplasma verbindt met de divertor. Zodra dit is verrekend, het plasma in de divertor kan ook worden gereproduceerd met behulp van de modellen.

"Deze resultaten geven aanzienlijk meer vertrouwen in ons vermogen om simulaties te gebruiken om stralingsuitlaatoplossingen voor de toekomst te ontwerpen, die cruciaal is voor het succes van de fusie-inspanning, " zei Dr. John Canik van het Oak Ridge National Laboratory, die het team leidde dat wetenschappers van het Lawrence Livermore National Laboratory en General Atomics omvatte, die de DIII-D-faciliteit exploiteert in samenwerking met het Amerikaanse ministerie van Energie.

Dit succes wijst ook op het belang van het vastleggen van de meer gecompliceerde atomaire en moleculaire fysica van standaardplasma's, verklaarde Dr. Canik. De resultaten van het team zullen worden gerapporteerd op de 58e jaarlijkse conferentie van de American Physical Society Division of Plasma Physics in San Jose

"Dit werk heeft een 'ontbrekende schakel' in het plasmatransport naar voren gebracht die de divertor weer verbindt met het hoofdplasma, " hij zei, opmerkend dat hun werk het onderwerp zal zijn van toekomstige experimenten.