Decennia van fusie-onderzoek hebben geleid tot veel vooruitgang in ons begrip van de fysica van plasma, het hete geïoniseerde gas in het hart van een fusiereactor. Terwijl veel vragen worden beantwoord, belangrijke uitdagingen blijven.

Nemen, bijvoorbeeld, turbulentie. Algemeen wordt aangenomen dat het turbulente transport van deeltjes, energie en momentum in een tokamak-reactor spelen een sleutelrol bij het bepalen van het niveau van opsluiting en reactorprestaties. Maar een grondig begrip van plasmaturbulentie en het transportmechanisme - en het vermogen om elk nauwkeurig te voorspellen - is een beetje ongrijpbaarder.

Bij een fusiereactie energie komt vrij wanneer twee waterstofisotopen samensmelten tot een zwaardere kern, helium en een zeer energetisch vrij neutron. Om voldoende hoge reactiesnelheden te bereiken om van fusie een bruikbare energiebron te maken, waterstof in de reactorkern moet worden verwarmd tot extreem hoge temperaturen - meer dan 100 miljoen graden Celsius - waardoor het wordt omgezet in heet plasma. In bepaalde reactoren sterke magnetische velden worden dan gebruikt om het plasma te "bevatten" en te voorkomen dat het de vaatwanden raakt, een proces dat bekend staat als magnetische opsluiting.

Er gebeurt dus veel in het plasma als het opwarmt. Gedreven door elektrische en magnetische krachten, geladen deeltjes wervelen rond en botsen tegen elkaar, en de centrale temperatuur en dichtheid evolueren voortdurend. In aanvulling, plasma-instabiliteiten - ook wel turbulentie genoemd - verstoren het vermogen van de reactor om duurzame energie te produceren door de snelheid van warmteverlies te verhogen.

Gelukkig, nieuwe supercomputersimulaties maken het gemakkelijker om de belangrijkste aspecten van plasmagedrag nauwkeuriger te voorspellen. Een team van natuurkundigen van de Universiteit van Californië in San Diego (UCSD), MIT's Plasma Science and Fusion Center en Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) hebben een reeks multischaal gyrokinetische simulaties uitgevoerd in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC) van het Lawrence Berkeley National Laboratory om te bepalen of elektronenenergietransport in een tokamak-plasmaontlading multischaal van aard is . Het nauwkeurig kunnen voorspellen van elektronenenergietransport is van cruciaal belang voor het voorspellen van de prestaties in toekomstige reactoren zoals ITER, momenteel in aanbouw in Cadarache, Frankrijk.

"In een fusiereactor de meeste warmte die in het plasma wordt gegenereerd, wordt getransporteerd door de elektronen, " zei Chris Holland, een onderzoekswetenschapper in het Center for Energy Research van UCSD en hoofdauteur van een recent onderzoek in Kernfusie het beschrijven van dit werk. Deze studie bouwt voort op eerder onderzoek door Holland en collega's van MIT en General Atomics, waarin ze multischaalsimulaties gebruikten om de turbulentie-instabiliteiten die plasmawarmteverlies veroorzaken nauwkeuriger te bestuderen.

Deze laatste simulaties, die werden uitgevoerd met de GYRO gyrokinetische plasma-turbulentiecode en bijna 70 miljoen uur rekentijd gebruikten op het Edison-systeem van NERSC, kwam overeen met de omstandigheden gemeten in een plasmarun in de DIII-D tokamak-reactor met behulp van het ITER-basisscenario. De DIII-D tokamak, gevestigd bij General Atomics, wordt sinds de jaren tachtig gebruikt om de technieken te ontwikkelen die nodig zijn om ITER te laten werken en om hun impact op de reactorprestaties te bestuderen.

Na het onderzoeken van de nieuwe multischaalsimulaties, het onderzoeksteam ontdekte dat elektronenenergietransport in deze plasma's een sterk multischaalkarakter lijkt te hebben - het eerste bewijs van de multischaalaard van elektronentransport voor omstandigheden zoals wat wordt verwacht in ITER. De simulaties toonden aan dat voor deze omstandigheden, het elektronentransport zal plaatsvinden op een veel groter bereik van schalen (vandaar de term "multiscale") dan in veel eerdere experimenten, en dat er sterke niet-lineaire koppelingen zijn tussen de verschillende schalen die eerdere simulaties niet konden oplossen.

Deze resultaten vergroten onze kennis van wat er gebeurt in de huidige tokamak-onderzoeksexperimenten en in toekomstige experimentele reactoren zoals ITER, die naar verwachting het reactorontwerp zal verbeteren. In aanvulling, de nieuwe simulaties kunnen door fusie-energieonderzoekers worden gebruikt als een direct voorspellend hulpmiddel om de fysica van plasma in een fusiereactor in te kapselen en gereduceerde modellen te produceren voor het ontwerpen van toekomstige reactoren, Nederland opgemerkt.

"Het is van vitaal belang om dit soort simulaties te doen om te bepalen welke verschijnselen in een toekomstige reactor kunnen worden verwacht en hoe deze kan verschillen van de huidige experimenten, " zei hij. "Maar als je een echte voorspelling wilt doen van hoe een experiment als ITER zal presteren, je zou tientallen of honderden van deze simulaties moeten doen, wat nog steeds zeker verder gaat dan wat we nu kunnen doen. Het is dus belangrijk om deze simulaties niet alleen te doen, maar ze ook te gebruiken om de fysica te begrijpen, modellen produceren die rekenkundig efficiënter zijn en geïntegreerde simulatievoorspellingen voor het hele apparaat maken."