Een belangrijke hindernis voor fusieonderzoekers is het begrijpen van turbulentie, de rimpelingen en wervelingen die ervoor kunnen zorgen dat het superhete plasma dat fusiereacties voedt, warmte en deeltjes lekt en ervoor zorgt dat fusie niet plaatsvindt. Het begrijpen en verminderen van turbulentie zal de ontwikkeling van fusie als een veilige, schone en overvloedige energiebron voor het opwekken van elektriciteit uit elektriciteitscentrales over de hele wereld.

Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), wetenschappers hebben een grote database samengesteld met gedetailleerde metingen van de tweedimensionale (2-D) structuur van randplasmaturbulentie die zichtbaar is gemaakt door een diagnostische techniek die bekend staat als gasrookbeeldvorming. De twee dimensies, gemeten in een fusie-apparaat genaamd een tokamak, vertegenwoordigen de radiale en verticale structuur van de turbulentie.

Stap naar een vollediger begrip

"Deze studie is een stapsgewijze stap naar een beter begrip van turbulentie, " zei natuurkundige Stewart Zweben, hoofdauteur van het onderzoek gepubliceerd in het tijdschrift Fysica van plasma's . "Het zou ons kunnen helpen begrijpen hoe turbulentie functioneert als de belangrijkste oorzaak van lekkage van plasma-opsluiting."

Fusie komt van nature voor in de ruimte, het samenvoegen van de lichte elementen in plasma om de energie vrij te geven die de zon en de sterren aandrijft. Op aarde, onderzoekers creëren fusie in faciliteiten zoals tokamaks, die het hete plasma regelen met magnetische velden. Maar turbulentie zorgt er vaak voor dat warmte uit de magnetische opsluiting lekt.

PPPL-wetenschappers zijn nu verder gegaan dan eerder gepubliceerde karakteriseringen van turbulentie en hebben de gegevens geanalyseerd om zich te concentreren op de 2-D ruimtelijke correlaties binnen de turbulentie. Deze correlatie geeft aanwijzingen voor de oorsprong van het turbulente gedrag dat warmte- en deeltjeslekkage veroorzaakt, en zal dienen als een aanvullende basis voor het testen van computersimulaties van turbulentie tegen empirisch bewijs.

20 plasmaontladingen bestuderen

Het artikel bestudeerde 20 plasmaontladingen die werden gekozen als een representatieve steekproef van die gemaakt in PPPL's ​​National Spherical Torus Experiment (NSTX) voorafgaand aan de recente upgrade. Bij elk van deze ontladingen een gaswolk verlichtte de turbulentie nabij de rand van het plasma, waar turbulentie van bijzonder belang is. de pufjes, een bron van neutrale atomen die gloeien als reactie op dichtheidsveranderingen binnen een goed gedefinieerd gebied, stelden onderzoekers in staat om fluctuaties in de dichtheid van de turbulentie te zien. Een snelle camera nam het resulterende licht op met een snelheid van 400, 000 frames per seconde over een beeldframegrootte van 64 pixels breed bij 80 pixels hoog.

Zweben en co-auteurs voerden computationele analyse uit van de gegevens van de camera, het bepalen van de correlaties tussen verschillende regio's van de frames terwijl de turbulente wervelingen erdoorheen bewogen. "We observeren de patronen van de ruimtelijke structuur, ' zei Zweben. 'Je kunt het vergelijken met de structuur van voorbijdrijvende wolken. Sommige grote wolken kunnen samengeklonterd worden of er kan een pauze zijn met alleen maar heldere lucht."

Gedetailleerd overzicht van turbulentie

De correlaties geven een gedetailleerd beeld van de aard van plasmaturbulentie. "Eenvoudige dingen over turbulentie zoals de grootte en tijdschaal zijn al lang bekend, " zei PPPL-natuurkundige Daren Stotler, een co-auteur van het papier. "Deze simulaties duiken diep in een ander niveau om te kijken hoe turbulentie in een deel van het plasma varieert met betrekking tot turbulentie in een ander deel."

In de resulterende grafiek, een blauw kruis geeft het aandachtspunt voor een berekening aan; de rode en gele gebieden rond het kruis zijn gebieden waarin de turbulentie zich ontwikkelt op dezelfde manier als de turbulentie in het brandpunt. Verder weg, onderzoekers vonden regio's waarin de turbulentie verandert tegengesteld aan de veranderingen in het brandpunt. Deze verder weg gelegen gebieden worden weergegeven als blauwtinten in de afbeeldingen, waarbij het gele kruis het punt met de meest negatieve correlatie aangeeft.

Bijvoorbeeld, als de rode en gele afbeeldingen een gebied waren met turbulentie met een hoge dichtheid, de blauwe afbeeldingen gaven een lage dichtheid aan. "De toename van de dichtheid moet ergens vandaan komen, "zei Zweben. "Misschien uit de blauwe streken."

Vooruit gaan, kennis van deze correlaties zou kunnen worden gebruikt om het gedrag van turbulentie in magnetisch opgesloten plasma te voorspellen. Het succes van de inspanning zou het begrip van een fundamentele oorzaak van het warmteverlies door fusiereacties kunnen verdiepen.