Vogels doen het en dat geldt ook voor donutvormige fusiefaciliteiten die 'tokamaks' worden genoemd. Maar het getjilp van tokamak - een snel veranderende frequentiegolf die veel hoger kan zijn dan wat het menselijk oor kan waarnemen - is nauwelijks welkom voor onderzoekers die de fusie willen brengen die de zon en de sterren naar de aarde stuurt. Dergelijk getjilp duidt op een warmteverlies dat fusiereacties kan vertragen, een verlies dat wetenschappers lang in verwarring heeft gebracht.

De puzzel is nog groter dat sommige tokamaks vaker tjilpen dan andere. Bijvoorbeeld, piepjes kwamen vaak voor in de National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) in het Princeton Plasma Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), maar zijn zeldzaam geweest in de DIII-D National Fusion Facility tokamak die General Atomics opereert voor de DOE in San Diego. Begrijpen waarom sommige tokamaks tjilpen en andere niet, is belangrijk, zodat onderzoekers een dergelijk getjilp in de ITER-tokamak kunnen voorspellen en uiteindelijk leren vermijden. de internationale fusiereactor die in het zuiden van Frankrijk wordt gebouwd om de bruikbaarheid van fusie-energie te demonstreren.

In een fusiereactor als ITER, fusiereacties produceren "snelle ionen" - zeer energetische atoomkernen waarop wetenschappers vertrouwen om de hoge plasmatemperaturen te handhaven die nodig zijn om het plasma warm te houden. Zulke ionen zijn als een snelle wind die, onder bepaalde omstandigheden, kan golven opwekken die "Alfvén-golven" worden genoemd in het hete plasma - net zoals de muzieknoten die worden geproduceerd door in een blaasinstrument te blazen. Als de snelle ionenwind sterk genoeg is, beginnen de Alfvén-golven te tjilpen, waardoor er energie verloren gaat, het verlagen van de plasmatemperatuur en het fusievermogen.

Omstandigheden die leiden tot getjilp

Wetenschappers onder leiding van PPPL-onderzoekers hebben nu de plasmacondities gemodelleerd die aanleiding geven tot getjilp en voorspellen wanneer het zal optreden. Het computermodel, succesvol getest op de DIII-D tokamak, beschrijft de impact van turbulentie - de willekeurige fluctuatie van plasma die kan leiden tot warmte- en deeltjesverlies - op de snelle ionen. Het model laat zien dat de turbulentie in het plasma helpt bij het opbreken of verstrooien van de snelle ionenwind. Als de verstrooiing sterk genoeg is, hebben de snelle ionen niet langer de kracht om Alfvén-golven te laten tjilpen en kan het warmteverlies uit het plasma worden verminderd.

Tot voor kort, het vinden van direct bewijs voor de rol van turbulentie bij het beïnvloeden van de kracht van de snelle ionenwind en zijn rol bij het getjilp was een uitdaging. Recente DIII-D-experimenten hebben nu het intieme verband tussen turbulentieniveaus en het getjilp van het plasma onthuld.

Bij deze experimenten de snelle ionenwind produceerde een enkele Alfvén-noot in het plasma, net als een enkele noot in een blaasinstrument. Vervolgens, wanneer het plasma spontaan overgaat in een nieuwe verbeterde staat van opsluiting met lage turbulentieniveaus, de Alfvén-noot begint snel te tjilpen.

Dit begin van getjilp is duidelijk gekoppeld aan de vermindering van turbulentie, omdat lagere turbulentie de snelle ionenwind niet langer kan verstrooien, zodat het voldoende kan opbouwen om de Alfvén-golven harder te laten drijven en ze te laten tsjilpen. "De coherente beweging van snelle ionenbundels wanneer de turbulentie afneemt, geeft aanleiding tot getjilp en de lekkage en hitte die gepaard gaan met getjilp, " zei Vinícius Duarte, een PPPL-associate onderzoeksfysicus en voormalig gastwetenschapper van de Universiteit van São Paulo, Brazilië, wie is de hoofdauteur van een paper waarin de bevindingen worden beschreven? Fysica van plasma's en gekenmerkt als een "Scilight" - een wetenschappelijk hoogtepunt - door het American Institute of Physics.

Waarom sommige plasma's piepen?

De door Duarte ontwikkelde theorie geeft ook aan waarom sommige plasma's tjilpen en andere niet. De verklaring is dat turbulentie in sommige apparaten veel minder effectief is in het verstrooien van de snelle ionenwind dan in andere. De volgende stap zal zijn om deze kennis te gebruiken om methoden te ontwerpen om getjilp in huidige experimenten te voorkomen, en om dergelijke methoden te gebruiken bij het ontwerp van toekomstige fusiereactoren zoals ITER.