Een belangrijk obstakel voor het beheersen van de fusie op aarde die de zon en de sterren aandrijft, is het lekken van energie en deeltjes uit plasma, de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die fusiereacties voeden. Bij het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), natuurkundigen hebben zich gericht op het valideren van computersimulaties die energieverliezen voorspellen die worden veroorzaakt door turbulent transport tijdens fusie-experimenten.

Onderzoekers gebruikten codes die zijn ontwikkeld bij General Atomics (GA) in San Diego om theoretische voorspellingen van elektronen- en ionen turbulent transport te vergelijken met bevindingen van de eerste campagne van de compacte - of "lage aspectverhouding" - National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX) van het laboratorium -U). GA, die de DIII-D National Fusion Facility voor de DOE exploiteert, heeft hiervoor geschikte codes ontwikkeld.

Tokamaks met een lage beeldverhouding hebben de vorm van appels met klokhuis, in tegenstelling tot de meer algemeen gebruikte conventionele tokamaks die de vorm hebben van donuts.

State-of-the-art codes

"We hebben state-of-the-art codes gebaseerd op geavanceerde theorie om transport te voorspellen, " zei natuurkundige Walter Guttenfelder, hoofdauteur van a Kernfusie paper dat de bevindingen van een team van onderzoekers rapporteert. "We moeten deze codes nu valideren over een breed scala van omstandigheden om er zeker van te zijn dat we de voorspellingen kunnen gebruiken om huidige en toekomstige experimenten te optimaliseren."

Analyse van het transport waargenomen in NSTX-U-experimenten wees uit dat een belangrijke factor achter de verliezen turbulentie was die ervoor zorgde dat het transport van elektronen "abnormaal, "wat betekent dat ze zich snel verspreiden, vergelijkbaar met de manier waarop melk zich vermengt met koffie wanneer deze met een lepel wordt geroerd. De GA-codes voorspellen dat de oorzaak van deze verliezen een complexe mix van drie verschillende soorten turbulentie is.

De waargenomen bevindingen openden een nieuw hoofdstuk in de ontwikkeling van voorspellingen van transport in tokamaks met een lage aspectverhouding - een type fusie-installatie die zou kunnen dienen als model voor fusiereactoren van de volgende generatie die lichte elementen in de vorm van plasma combineren om energie te produceren . Wetenschappers over de hele wereld proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Onderzoekers van PPPL willen nu de mechanismen achter het afwijkende elektronentransport in een compacte tokamak identificeren. Simulaties voorspellen dat een dergelijk energieverlies voortkomt uit de aanwezigheid van drie verschillende soorten complexe turbulentie - twee soorten met relatief lange golflengten en een derde met golflengten die een fractie van de grootte van de grotere twee zijn.

De impact van een van de twee langegolftypes, die typisch wordt aangetroffen in de kern van tokamaks met een lage aspectverhouding en in de rand van het plasma in conventionele tokamaks, moet volledig in aanmerking worden genomen bij het voorspellen van transport met een lage aspectverhouding.

Uitdaging om te simuleren

Echter, de gecombineerde impact van alle drie soorten turbulentie is een uitdaging om te simuleren, aangezien wetenschappers normaal gesproken de verschillende golflengten afzonderlijk bestuderen. Natuurkundigen van het Massachusetts Institute of Technology (MIT) hebben onlangs multischaalsimulaties uitgevoerd en hun werk benadrukt de aanzienlijke supercomputertijd die dergelijke simulaties vereisen.

Onderzoekers moeten nu aanvullende simulaties testen om meer volledige overeenstemming te bereiken tussen voorspellingen van transport en experimenten met plasma's in tokamaks met een lage aspectverhouding. Inbegrepen in deze vergelijkingen zijn metingen van turbulentie genomen door de co-auteurs van de University of Wisconsin-Madison van de Kernfusie papier dat voorspellingen beter zal beperken. Verbeterde overeenstemming zal zekerheid bieden over voorspellingen van energieverlies voor huidige en toekomstige faciliteiten.