Een onderzoeksteam van fusiewetenschappers is erin geslaagd te bewijzen dat ionen kunnen worden verwarmd door plasmaoscillaties aangedreven door hoogenergetische deeltjes. Dit is bevestigd door een grootschalige simulatie uit te voeren met een nieuw ontwikkeld hybride simulatieprogramma dat berekeningen voor plasmaoscillaties koppelt, hoogenergetische deeltjes en ionen. Dit onderzoek zal studies naar zelfverhitting van plasma versnellen voor het realiseren van fusie-energie.

De fusiereactie tussen deuterium-ion en tritium-ion in een hoge temperatuur plasma zal in de toekomst worden gebruikt in fusiereactoren. De hoogenergetische alfadeeltjes die door de fusiereactie worden gegenereerd, geven hun energie aan het plasma, en deze plasma-zelfverhitting handhaaft de hoge temperatuur die nodig is voor de fusiereactie. Echter, we hebben het probleem dat de verwarming van brandstofionen zwak is omdat de hoogenergetische deeltjes het grootste deel van hun energie afgeven aan elektronen door botsingen met de elektronen. Om de ionenverwarmingssnelheid te verhogen, er wordt voorgesteld dat ionen kunnen worden verwarmd door de plasma-oscillaties die worden aangedreven door de hoogenergetische deeltjes. Echter, dit ionenverwarmingsmechanisme is nog niet bevestigd.

Het onderzoeksteam van assistent-professor Hao Wang en professor Yasushi Todo van het National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) heeft met computersimulaties onderzoek gedaan naar de ionenverwarming door plasma-oscillaties.

Professor Todo ontwikkelde eerder een computerprogramma dat tegelijkertijd de toestand van het plasma als geheel kan simuleren, die als vloeistof wordt behandeld, en de beweging van hoogenergetische deeltjes in een plasma. Dit programma, omdat het de vloeistof en de deeltjes verbindt en berekent, heet het hybride simulatieprogramma. Het stelt ons in staat om de interactie tussen de plasmaoscillaties en de hoogenergetische deeltjes te bestuderen. Het programma wordt zeer gewaardeerd door fusiewetenschappers, en verschillende simulatiestudies met het programma zijn nu aan de gang.

Echter, om ionenverwarming te bestuderen door plasmaoscillaties aangedreven door hoogenergetische deeltjes, het is noodzakelijk om het hybride-simulatieprogramma uit te breiden om ionenbewegingen te simuleren die worden beïnvloed door de plasma-oscillaties. Het onderzoeksteam is erin geslaagd een nieuw hybride simulatieprogramma te ontwikkelen door ionen in een plasma als deeltjes te berekenen en door de drie soorten berekeningen voor de plasmaoscillaties te koppelen, de hoogenergetische deeltjes, en de ionen. Met behulp van het nieuwe hybride simulatieprogramma, ze voerden een grootschalige simulatie uit op de supercomputer met betrekking tot het plasma dat wordt gegenereerd in het Large Helical Device (LHD). (Op de LHD, we gebruiken de hoogenergetische waterstofdeeltjes die zich in het plasma bevinden om plasmatrillingen te bestuderen die worden aangedreven door hoogenergetische deeltjes.) De nieuwe hybride simulatie laat duidelijk zien dat ionen energie verkrijgen uit plasmatrillingen die worden opgewekt door de hoogenergetische deeltjes. Dit geeft aan dat de ionenverwarmingssnelheid in een zelfverwarmend plasma kan worden verhoogd door gebruik te maken van de plasmaoscillaties.

Dus, het onderzoeksteam heeft voor het eerst ter wereld de ionenverhitting door plasma-oscillaties bewezen. Op basis van de resultaten van dit onderzoek, het onderzoek naar zelfopwarmend plasma voor het realiseren van fusie-energie wordt versneld.

Dit onderzoeksresultaat werd gepubliceerd als Wang, et al. "Simulatie van energetische deeltjesgedreven geodetische akoestische modi en de energiekanalisatie in de Large Helical Device-plasma's" in Kernfusie in augustus 2019.