Het National Institute for Fusion Science heeft een nieuwe code ontwikkeld die de beweging van plasma kan simuleren en, tegelijkertijd, de beweging van deeltjes die met hoge snelheden circuleren. In de Japanse fusiereactor genaamd Large Helical Device (LHD), onderzoekers hebben plasma-oscillaties onderzocht die worden veroorzaakt door hoogenergetische deeltjes. Nieuwe onderzoeksresultaten, samen met de gegevens verkregen uit LHD-experimenten, hebben de details verduidelijkt van oscillaties die niet kunnen worden gemeten door experimenten en de interactie van hoogenergetische deeltjes en hun oscillaties.

Hoogenergetische alfadeeltjes (heliumionen), gegenereerd door fusiereacties met behulp van deuterium en tritium, verwarm het plasma en handhaaf de hoge temperatuuromstandigheden die nodig zijn voor de fusiereactie. De voorspelling van hun gedrag en hun controle zijn de sleutels om de fusiereactie in stand te houden. Anderzijds, plasma is ook een vloeistof die elektriciteit geleidt. En omdat de stroom van elektrische stroom een ​​magnetisch veld produceert, dit wordt magnetofluid genoemd, of magnetohydrodynamische vloeistof.

Plasma's die magnetofluid zijn, oscilleren. Wanneer de oscillatieperiode en de periode van hoogenergetische alfadeeltjes die in een plasma circuleren overeenkomen, er is een mogelijkheid dat de oscillatie-amplitude zal toenemen als gevolg van resonantie. Als resultaat, omdat hoogenergetische alfadeeltjes uit het plasma ontsnappen, er bestaat bezorgdheid dat de prestaties van de fusiereactor zullen afnemen. Om de opwekking van fusie-elektriciteit te realiseren, het is absoluut noodzakelijk om zeer betrouwbare voorspellingen te doen met betrekking tot de verdeling van hoogenergetische deeltjes die de interactie van het plasma met oscillaties omvatten.

De onderzoeksgroep onder leiding van professor Yasushi Todo en assistent-professor Hao Wang van het National Institute for Fusion Science (NIFS) heeft een programma ontwikkeld dat het plasmagedrag en de bewegingen van hoogenergetische deeltjes kan simuleren (het programma heet "hybride simulatie" omdat het vloeistof en deeltjes verbindt). Het is nu mogelijk om de interactie tussen plasmaoscillatie en hoogenergetische deeltjes te simuleren, wat niet mogelijk was met eerdere methoden die het plasma en de hoogenergetische deeltjes afzonderlijk berekenden.

Met behulp van dit hybride simulatieprogramma op supercomputers - de plasmasimulator van NIFS en Helios, van het International Fusion Energy Research Centre - de onderzoekers voerden een grootschalige simulatie uit van LHD-plasma. In de LHD-experimenten, ze deden onderzoek naar hoogenergetische deeltjes en plasmaoscillaties met behulp van hoogenergetische deeltjes gegenereerd door injectie met neutrale straal (zie figuur 1). In de simulatieresultaten getoond in figuur 2, samen met de experimentele gegevens voor plasma-oscillaties die worden veroorzaakt door de hoogenergetische deeltjes, ze verduidelijkten de details van oscillaties die niet experimenteel kunnen worden gemeten, evenals de interactie van hoogenergetische deeltjes die de versterking van oscillatie veroorzaken.

Dit hybride simulatieprogramma is niet alleen geschikt voor de LHD, maar ook voor fusieplasma-experimenten in Japan en daarbuiten. Door de experimentele resultaten met betrekking tot de verdeling van hoogenergetische deeltjes en oscillaties te vergelijken, de betrouwbaarheid van het programma is bevestigd. Door het LHD-experiment met succes te reproduceren, de onderzoekers hebben het eerste programma gemaakt dat hoogenergetische deeltjes en plasmatrillingen kan simuleren.

Dit onderzoeksresultaat werd aangekondigd op de 26e International Atomic Energy Agency-conferentie van 17-22 oktober in Kyoto, Japan.

Met behulp van het Hybrid Simulation Program ontwikkeld door het National Institute for Fusion Science, de voorspellingsnauwkeurigheid van de distributie van hoogenergetische alfadeeltjes in het kernplasma van een fusiereactor is aanzienlijk verbeterd. Dit zal bijdragen aan de ontwikkeling van een zeer betrouwbaar bedrijfsscenario en ontwerp van fusiereactoren, en zou de verwezenlijking van een fusiereactor kunnen versnellen. In aanvulling, het werk draagt ​​bij aan het begrip van de interacties van hoogenergetische deeltjes en oscillaties. Terwijl de oscillaties van plasma het verlies veroorzaken van hoogenergetische deeltjes die plasma verwarmen, de oscillaties, door plasma te voorzien van energie ontvangen van hoogenergetische deeltjes, daarentegen verhit plasma.