Wetenschappers die fusie - de kracht die de zon en de sterren aandrijft - naar de aarde willen brengen, moeten eerst de toestand van materie die plasma wordt genoemd superheet genoeg maken om fusiereacties in stand te houden. Dat vraagt ​​om verwarming van het plasma tot vele malen de temperatuur van de kern van de zon. In ITER, de internationale fusie-installatie die in Frankrijk wordt gebouwd om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen, het apparaat verwarmt zowel de vrije elektronen als de atoomkernen - of ionen - waaruit het plasma bestaat. De vraag is, wat zal deze verwarmingsmix doen met de temperatuur en dichtheid van het plasma die cruciaal zijn voor de productie van fusie?

Nieuw onderzoek geeft aan dat het begrijpen van de gecombineerde verwarming laat zien hoe we de productie van fusie in ITER en andere fusiefaciliteiten van de volgende generatie kunnen verbeteren - een belangrijke bevinding van natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), de DIII-D National Fusion Facility die General Atomics exploiteert voor de DOE, en andere medewerkers. "Dit laat zien wat er gebeurt als elektronenverwarming wordt toegevoegd aan ionenverwarming, " zei PPPL-natuurkundige Brian Grierson, die leiding gaf aan het testen van een computermodel dat de DIII-D-resultaten naar ITER projecteerde.

Het model, gemaakt door Gary Staebler van General Atomics en gerapporteerd in een paper in Fysica van plasma's met Grierson als eerste auteur, onderzochten de experimentele resultaten van DIII-D in omstandigheden die vergelijkbaar waren met die verwacht in ITER. Diagnostiek geleverd door de Universiteit van Wisconsin-Madison en de Universiteit van Californië, Los Angeles heeft de resulterende turbulentie gemeten, of willekeurige schommelingen en wervelingen, dat gebeurde in het plasma.

Turbulentie op meerdere schalen

De metingen onthulden turbulentie met korte tot lange golflengten veroorzaakt door elektronen- en ionenverwarming, respectievelijk. De combinatie produceerde "multiscale" turbulentie die de manier veranderde waarop deeltjes en warmte uit het plasma lekken. Turbulentie kan de snelheid van fusiereacties verminderen.

De gecombineerde elektronen- en ionenverwarming veranderde de gradiënt, of ruimtelijke veranderingssnelheid in de plasmadichtheid. Deze bevinding was significant omdat de fusiekracht die ITER en andere tokamaks van de volgende generatie produceren, zal toenemen naarmate de dichtheid groter wordt. Bovendien, de toename heeft plaatsgevonden zonder dat onzuiverheden zich ophopen in de kern van het plasma en dit afkoelen, die fusiereacties zouden kunnen stoppen.

De wetenschappers gebruikten een "reduced physics"-model genaamd TGLF dat de enorm parallelle en kostbare simulaties van multiscale turbulentie, die miljoenen uren rekentijd op supercomputers vergen, vereenvoudigde. De onderzoekers hebben deze vereenvoudigde versie honderden keren uitgevoerd op PPPL-computers om de impact op het model te testen van onzekerheden die voortvloeien uit de DIII-D-experimenten.

"Het TGLF-model maakt gebruik van de zwakke turbulentie-eigenschappen van tokamaks zoals ITER, "zei Staebler. "Het berekent het plasmatransport ongeveer miljarden keren sneller dan een gyrokinetische multischaalturbulentiesimulatie die wordt uitgevoerd op krachtige supercomputers."

Impact van elektronenverwarming

Het model keek specifiek naar de impact van elektronenverwarming op de totale verwarmingsmix. Onderzoekers produceren een dergelijke verwarming door microgolven te richten op de elektronen die rond magnetische veldlijnen draaien - een proces dat de thermische energie van de elektronen verhoogt, brengt het door botsingen over op de ionen, en vult de verwarming van de ionen aan door injectie met neutrale straal.

Resultaten gaven aan dat het bestuderen van multischaalturbulentie essentieel zal zijn om te begrijpen hoe om te gaan met het multischaaleffect op het transport van warmte, deeltjes en momentum in tokamaks van de volgende generatie, of fusie-apparaten, merkte Grierson op. "We moeten transport onder ionen- en elektronenverwarming begrijpen om met vertrouwen te kunnen projecteren naar toekomstige reactoren, " hij zei, "omdat fusiecentrales beide soorten verwarming zullen hebben."