Met behulp van grootschalige computersimulaties, de onderzoeksgroep Plasma Physics and Fusion Energy van het Department of Earth and Space Sciences levert een belangrijke bijdrage aan Joint European Torus (JET), het grootste fusie-experiment dat momenteel wordt uitgevoerd. De simulaties geven informatie over plasmaturbulentie en transport van plasma's die experimenteel onmogelijk of te duur zouden zijn om te bestuderen.

De groep Plasmafysica en Fusie-energie is betrokken bij meerdere internationale projecten met als doel fusie als energiebron te realiseren. Het onderzoek gebeurt voornamelijk in samenwerking met de Joint European Torus (JET), het grootste fusie-experiment dat momenteel wordt uitgevoerd, en is gericht op de voorbereiding van de start van de experimentele fusiereactor ITER die in Cadarache wordt gebouwd, Frankrijk. Een van de huidige projecten is gericht op het begrijpen hoe de waterstofkernen die deelnemen aan de fusiereactie kunnen worden aangevuld door injectie van waterstofpellets.

JET is bij uitstek geschikt voor de studie van ITER-kwesties vanwege zijn omvang en omdat het veel kenmerken van het ITER-ontwerp deelt, zoals een metalen wand (beryllium en wolfraam) en tritiumcapaciteit. De onderzoeksgroep van Chalmers gebruikt gegevens van JET-experimenten om grootschalige computersimulaties uit te voeren van de plasmaturbulentie en het bijbehorende transport van deeltjes en energie.

"Deze numerieke experimenten laten ons de turbulentie bestuderen op een detailniveau dat niet mogelijk is in het eigenlijke experiment. We kijken ook naar de impact van veranderingen in plasmaparameters die onmogelijk of te duur zouden zijn om experimenteel te bestuderen. De tool die we gebruiken voor dit is de GEN-code, een zogenaamde gyrokinetische code die de deeltjesverdelingsfunctie evolueert in vijf ruimte- en snelheidsdimensies, " legt Daniel Tegnered uit, Promovendus in de groep Plasmafysica en fusie-energie.

Een van de cruciale kwesties voor ITER is hoe het bijtanken van plasma moet worden bereikt. Deeltjes van het plasma zullen onvermijdelijk verloren gaan, zowel tegen de muur, aangezien de opsluiting van deeltjes niet perfect zal zijn, en ook door de fusiereacties zelf die waterstofkernen verbruiken. Hierdoor is het continu bijtanken van het plasma noodzakelijk. Voor ITER, er is voorzien in zogenaamde pelletbrandstof, waarbij pellets die geschikte waterstofisotopen bevatten met hoge snelheden in het plasma worden geïnjecteerd. Echter, de pellets zullen het centrale deel van het plasma met de hoogste dichtheden en temperaturen niet kunnen bereiken voordat ze worden geablateerd. Dit zal de temperatuur- en dichtheidsprofielen van het plasma verstoren, waardoor een "bult" in de plasmadichtheid ontstaat, zoals weergegeven in de afbeelding. Deze deeltjes moeten vervolgens naar binnen worden getransporteerd door diffusie en convectie veroorzaakt door de turbulentie.

"Onze simulaties van JET-ontladingen op pellets hebben aangetoond dat de turbulentie onder bepaalde omstandigheden in deze regio kan worden gestabiliseerd vanwege de "bump" in dichtheid en temperatuur, ', zegt Daniël Tegnered.

Verdere simulaties van omstandigheden die meer op ITER lijken, hebben ook aangetoond dat een hogere verhouding tussen plasmadruk en magnetische druk, een parameter die belangrijk is voor de economische levensvatbaarheid van toekomstige fusiereactoren, dient ook om de turbulentie in deze regio te stabiliseren. Dit vermindert op zijn beurt de inwaartse deeltjesflux, waardoor het tanken van pellets mogelijk minder efficiënt wordt. Verdere analyse en simulaties van ITER-achtige JET-ontladingen zullen cruciaal zijn voor de succesvolle ontwikkeling van plasmascenario's voor ITER.