Een belangrijke vereiste voor toekomstige faciliteiten die tot doel hebben de fusie-energie die de zon en de sterren aandrijft op aarde te vangen en te beheersen, zijn nauwkeurige voorspellingen van de druk van het plasma - het hete, geladen gas dat fusiereacties voedt in donutvormige tokamaks die de reacties huisvesten. Centraal in deze voorspellingen staat het voorspellen van de druk die de afschraaplaag, de dunne strook gas aan de rand van het plasma, uitoefent op de divertor - het apparaat dat de restwarmte van fusiereacties afvoert.

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nieuwe inzichten ontwikkeld in de fysica die de drukbalans in de afschraaplaag regelt. Deze balans moet ervoor zorgen dat de druk van het plasma door de tokamak hoog genoeg is om een ​​grotendeels zelfverhitting fusiereactie teweeg te brengen. De balans moet ook de potentieel schadelijke impact van hitte en plasmadeeltjes die de divertor en andere naar het plasma gerichte componenten van de tokamak treffen, beperken.

"Vroegere eenvoudige aannames over de drukbalans in de afschraaplaag zijn onvolledig, " zei PPPL-natuurkundige Michael Churchill, hoofdauteur van a Kernfusie paper waarin de nieuwe bevindingen worden beschreven. "De codes die de afschraaplaag simuleren, hebben vaak belangrijke aspecten van de fysica weggegooid, en het veld begint dit te herkennen."

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 proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Sleutelfactoren

Churchill en PPPL-collega's bepaalden de belangrijkste factoren achter de drukbalans door de ultramoderne XGCa-computercode uit te voeren op de Cori- en Edison-supercomputers in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science gebruikersfaciliteit. De code behandelt plasma op een gedetailleerd kinetisch- of deeltjesbewegingsniveau in plaats van als een vloeistof.

Een van de belangrijkste gevonden kenmerken was de impact van de bulkdrift van ionen, een impact die eerdere codes grotendeels hebben genegeerd. Dergelijke driften "kunnen een integrale rol spelen", schreven de auteurs, en "zijn erg belangrijk om rekening mee te houden."

Ook belangrijk in de momentum- of drukbalans werden gezien als de kinetische deeltjeseffecten als gevolg van ionen met verschillende temperaturen, afhankelijk van hun richting. Omdat de temperatuur van ionen moeilijk te meten is in de afschraaplaag, de krant zegt, "Er moeten meer diagnostische inspanningen worden geleverd om de ionentemperatuur en -stromen nauwkeurig te meten en zo een beter begrip van de rol van ionen in de SOL mogelijk te maken."

De nieuwe bevindingen zouden het begrip van de afschraaplaagdruk bij de divertor kunnen verbeteren, Churchill zei, en zou kunnen leiden tot nauwkeurige voorspellingen voor het internationale ITER-experiment dat in aanbouw is in Frankrijk en andere tokamaks van de volgende generatie.