Als surfers die oceaangolven opvangen, deeltjes in de hete, elektrisch geladen toestand van materie, bekend als plasma, kan golven berijden die tijdens experimenten door het plasma oscilleren om de productie van fusie-energie te onderzoeken. De trillingen kunnen de deeltjes zo ver verplaatsen dat ze ontsnappen uit de donutvormige tokamak die de experimenten huisvest, het plasma afkoelen en fusiereacties minder efficiënt maken. Nu heeft een team van natuurkundigen onder leiding van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) een snellere methode bedacht om te bepalen in hoeverre deze interactie tussen deeltjes en golven bijdraagt ​​​​aan het efficiëntieverlies in tokamaks.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, is het samensmelten van lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers over de hele wereld proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

De methode om de impact op fusie te helpen bepalen, gepubliceerd in Fysica van plasma's , hangt af van hoe de deeltjes in plasma in de oscillaties worden gevangen. Deeltjes die vastzitten in een oscillatie kunnen een ovaalachtig pad volgen dat bekend staat als een resonantiestructuur, waarvan de breedte een belangrijke factor is. Het bepalen van de breedte van die structuur is van cruciaal belang. "Als je wilt weten hoe groot het effect is van de resonantie op de plasmadeeltjes, je moet de resonantiebreedte weten, " zei Roscoe White, een theoretisch fysicus bij PPPL en hoofdauteur van het artikel.

Door simulaties uit te voeren op krachtige PPPL-computers, de onderzoekers leerden hoe een soort plasmatrilling, bekend als een eigenmode, de resonantie kan vervormen en de manier waarop deze plasmadeeltjes beïnvloedt kan veranderen. "Ons onderzoek valt op omdat we rekening hebben gehouden met de eigenmodevorm, wat nog niet eerder was gedaan, ' zei Wit.

De manier waarop eigenmodes resonantiestructuren veranderen en daarmee het gedrag van plasmadeeltjes is van belang voor wetenschappers, omdat het effect de efficiëntie van ITER zou kunnen verminderen, de multinationale faciliteit die in Frankrijk wordt gebouwd om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen. "De modificaties van deeltjesverdelingen door elektromagnetische oscillaties is een belangrijk probleem voor ITER, White zei. "Door deze verschijnselen te bestuderen, kunnen wetenschappers voorspellen hoe sterk de effecten van de oscillaties zullen zijn, en dan manieren bedenken om de golven te elimineren, deeltjesverlies voorkomen, en de fusie-efficiëntie te behouden."

De bevindingen kunnen worden gebruikt om een ​​gereduceerd computermodel te maken met vereenvoudigde, maar nauwkeurig, code die plasmagedrag kan simuleren met minder berekeningen en dus in veel minder tijd dan de huidige modellen nodig hebben. "De best beschikbare simulatie van een ontlading in DIII-D, de tokamak geëxploiteerd in San Diego door General Atomics, kan een supercomputer enkele maanden in beslag nemen, " zei Nikolai Gorelenkov, hoofdonderzoeksfysicus bij PPPL en een co-auteur van het artikel. "Dat is te lang. Het uiteindelijke doel is om simulaties van deeltjes-golf-interacties in plasma snel genoeg te gebruiken om te voorspellen waar en wanneer verliezen kunnen optreden, en vervolgens actie ondernemen om die verliezen te voorkomen."

De taak wordt veel moeilijker met betrekking tot ITER. "Een conservatieve prognose voor ITER is dat voor simulaties ongeveer 1 miljoen keer meer berekeningen nodig zijn dan nodig zijn voor de huidige tokamaks, "Zei Gorelenkov. "Het is een ongekende hoeveelheid rekenwerk, dus we moeten manieren vinden om de simulatie gemakkelijker af te maken."