Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) en General Atomics van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een mysterieuze, zelfgeorganiseerde stroom van het superhete plasma gesimuleerd dat fusiereacties voedt. De bevindingen tonen aan dat het pompen van meer warmte in de kern van het plasma instabiliteiten kan veroorzaken die plasmarotatie creëren in de donutvormige tokamak die het hete geladen gas herbergt. Deze rotatie kan worden gebruikt om de stabiliteit en prestaties van fusie-apparaten te verbeteren.

De resultaten, gerapporteerd in januari in het tijdschrift Fysieke beoordelingsbrieven , gebruik eerste op principes gebaseerde plasmaturbulentiesimulaties van experimenten die zijn uitgevoerd op de DIII-D National Fusion Facility die General Atomics exploiteert voor de DOE in San Diego. De bevindingen kunnen leiden tot een betere controle van fusiereacties in ITER, het internationale experiment in aanbouw in Frankrijk om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen. Ondersteuning voor dit onderzoek komt van het DOE Office of Science met simulaties uitgevoerd in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science User Facility in het Lawrence Berkeley National Laboratory.

Hoge energiestralen

Om de stabiliteit en opsluiting van het plasma te verbeteren, een gas bestaande uit elektronen en ionen dat vaak de vierde toestand van materie wordt genoemd, natuurkundigen hebben traditioneel hoge energiebundels van neutrale atomen geïnjecteerd. Deze energetische stralen zorgen ervoor dat de kern en het buitenste gebied van het plasma met verschillende snelheden ronddraaien, het creëren van een afgeschoven stroom, of rotatie, dat verbetert de stabiliteit en opsluiting. Een hardnekkig mysterie is hoe het plasma soms zijn eigen afgeschoven stroom genereert, spontaan.

Het nieuwe onderzoek, onder leiding van PPPL-natuurkundigen Brian Grierson en Weixing Wang, toont aan dat voldoende verwarming van de kern van het plasma een speciaal soort turbulentie genereert die een intrinsiek koppel produceert, of draaiende kracht, waardoor het plasma zijn eigen afgeschoven stroom genereert. De bevindingen zijn relevant voor grote, toekomstige reactoren, aangezien injectie met neutrale straal slechts een beperkte rotatie zal creëren in de enorme plasma's in dergelijke faciliteiten.

Zelforganiserende plasma's

Het gezamenlijke onderzoek door wetenschappers van PPPL en General Atomics ontdekte dat plasma's zichzelf kunnen organiseren om afgeschoven rotatie te produceren wanneer warmte op de juiste manier wordt toegevoegd. Het proces werkt als volgt:

• Het verwarmen van de kern van het plasma veroorzaakt turbulentie die in sterkte fluctueert langs de straal van het gas.
• De fluctuaties genereren een "restspanning" die werkt als een koppel dat ervoor zorgt dat de binnenste en buitenste delen van het plasma met verschillende snelheden tegengesteld aan elkaar roteren.
• De verschillende rotatiesnelheden vertegenwoordigen een balans tussen het door turbulentie veroorzaakte koppel en de viscositeit van het plasma, waardoor het gas niet willekeurig snel ronddraait.

Onderzoekers gebruikten de GTS-code om de fysica van turbulent plasmatransport te simuleren door het gedrag van plasmadeeltjes te modelleren terwijl ze rond magnetische velden cirkelden. De simulatie voorspelde het rotatieprofiel door het intrinsieke koppel van de turbulentie en de diffusie van het momentum te modelleren. De voorspelde rotatie kwam vrij goed overeen, in vorm en omvang, met de rotatie waargenomen in DIII-D-experimenten.

Een belangrijke volgende uitdaging zal zijn om de processen voor ITER te extrapoleren. Dergelijke modellering vereist enorme simulaties die de grenzen van de momenteel beschikbare high-performance supercomputers zullen verleggen. "Met zorgvuldige experimenten en gedetailleerde simulaties van fundamentele fysica, we beginnen te begrijpen hoe het plasma zijn eigen afgeschoven rotatie creëert, " zei Grierson. "Dit is een belangrijke stap op weg naar het optimaliseren van de plasmastroom om fusieplasma's stabieler te maken, en werken met een hoge efficiëntie."