Onderzoekers van de DIII-D National Fusion Facility, een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit beheerd door General Atomics, gebruikte een "reduced physics" vloeistofmodel van plasmaturbulentie om onverwachte eigenschappen van het dichtheidsprofiel in een tokamak-experiment te verklaren. Het modelleren van het turbulente gedrag van plasma kan wetenschappers helpen de tokamak-prestaties in toekomstige fusiereactoren zoals ITER te optimaliseren.

Het toepassen van warmte in een tokamak levert veel interessante fenomenen op, zoals veranderingen in plasmarotatie en dichtheid. DIII-D-onderzoekers hebben gemodelleerd hoe verschillende soorten verwarming, zoals microgolven die elektronenverwarming produceren of neutrale stralen die ionenverwarming produceren, beïnvloedt de plasmadichtheid, gedrag van onzuiverheden en turbulent transport. De verschillende verwarmingsmethoden zorgen voor turbulentie op de lange (ionen) schalen en veel kortere (elektronen) schalen die zich aan de grens van turbulentie computersimulaties bevinden.

Hun bevindingen, meldde deze week in Fysica van plasma's , toonde aan dat het verwarmen van de elektronen in een fusiereactor belangrijke veranderingen in dichtheidsgradiënten in het plasma veroorzaakte. Hun "gevangen gyro-Landau-vloeistof" (TGLF) -model voorspelde dat het toevoegen van door warmte opgewekte turbulentie, bij golflengten tussen de ionen- en elektronenschaal, en zou een deeltjesknijp produceren die het algehele dichtheidsprofiel van het plasma wijzigt. Aanvullend, In deze krant, onderzoekers gebruikten hun gereduceerd transportmodel om het transport van onzuiverheden in een fusiereactor te voorspellen.

Brian Grierson, een fysicus van het Princeton Plasma Physics Laboratory, werkzaam als onderzoeker bij de DIII-D National Fusion Facility in San Diego, zei dat "wanneer je het plasma verwarmt, je verandert niet alleen de temperatuur, je verandert het soort turbulentie dat bestaat, en dat heeft secundaire gevolgen voor het transport van plasmadichtheid en de plasmarotatie."

Over het algemeen, warmte die van het hete plasmacentrum naar de koude plasmarand stroomt, zorgt voor turbulente diffusie, die zou moeten werken om de dichtheidsgradiënt af te vlakken. "Maar het fascinerende is dat het soms toepassen van warmte in een fusiereactor ervoor zorgt dat het een dichtheidsgradiënt produceert in plaats van het af te vlakken, " zei Grierson. Deze piek in de dichtheid is significant omdat de fusiereactie tussen deuterium- en tritiumdeeltjes in een tokamak toeneemt naarmate de dichtheid van het plasma toeneemt. Met andere woorden, hij zei, "fusievermogen is evenredig met de [plasma] dichtheid in het kwadraat."

Grierson crediteert Gary Staebler, een co-auteur op het papier, als de General Atomics theoreticus achter TGLF, het in dit artikel geteste model. TGLF is een gereduceerd natuurkundig model van de "full physics" gyrokinetische code GYRO voor turbulent transport, die op supercomputers moet worden uitgevoerd. Met behulp van dit meer kosteneffectieve TGLF-model, onderzoekers waren in staat om de code honderden keren uit te voeren met verschillende experimentele metingen en invoer om te kwantificeren hoe onzekerheden in de experimentele gegevens de theoretische interpretatie beïnvloeden.

Vooruit gaan, Grierson hoopt dat deze bevindingen het onderzoek zullen helpen om het begrip van de fusiegemeenschap van extreem kleinschalige fluctuaties en onzuiverheidstransport in een plasma te vergroten.

"We moeten transport onder ionen- en elektronenverwarming begrijpen om met vertrouwen te kunnen projecteren naar toekomstige reactoren, omdat kernfusiereactoren zowel ionen- als elektronenverwarming zullen hebben, Grierson zei. "Dit resultaat identificeert wat we moeten onderzoeken met de computationeel uitdagende volledige fysica-simulaties om de interactie van deeltjes te verifiëren, momentum en onzuiverheden transport met verwarming."