Een belangrijke wegversperring voor het produceren van veilige, schone en overvloedige fusie-energie op aarde is het gebrek aan gedetailleerd begrip van hoe de hete, geladen plasmagas dat fusiereacties voedt, gedraagt ​​zich aan de rand van fusiefaciliteiten die 'tokamaks' worden genoemd. Recente doorbraken door onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een beter begrip opgeleverd van het gedrag van de zeer complexe plasmarand in donutvormige tokamaks op weg naar het vastleggen van de fusie-energie die de zon en sterren. Het begrijpen van deze edge-regio zal vooral belangrijk zijn voor de werking van ITER, het internationale fusie-experiment in aanbouw in Frankrijk om de bruikbaarheid van fusie-energie aan te tonen.

Unieke vondst

Een van de eerste bevindingen in zijn soort was de ontdekking dat het verklaren van de turbulente fluctuaties in de magnetische velden die het plasma dat fusiereacties voedt, de turbulente deeltjesflux nabij de plasmarand aanzienlijk kan verminderen. Computersimulaties tonen aan dat de netto deeltjesflux met maar liefst 30 procent kan dalen, ondanks het feit dat de gemiddelde grootte van fluctuaties in de dichtheid van turbulente deeltjes met 60 procent toeneemt, wat aangeeft dat hoewel de fluctuaties in turbulente dichtheid virulenter zijn, ze verplaatsen deeltjes minder effectief uit het apparaat.

Onderzoekers hebben een speciale code ontwikkeld met de naam "Gkeyll" - uitgesproken als "Jekyll" in "The Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde" van Robert Louis Stevenson - die deze simulaties mogelijk maakt. De wiskundige code, een vorm van modellering genaamd "gyrokinetica, " simuleert de baan van plasmadeeltjes rond de magnetische veldlijnen aan de rand van een fusieplasma.

"Ons recente artikel vat de inspanningen van de Gkeyll-groep samen op het gebied van gyrokinetische simulatie, " zei PPPL-natuurkundige Ammar Hakim, hoofdauteur van een Physics of Plasmas-paper dat een overzicht geeft van de prestaties van de groep, gebaseerd op een uitgenodigde lezing die hij afgelopen herfst gaf op de conferentie van de Division of Plasma Physics (APS-DPP) van de American Physical Society. Het onderzoek, co-auteur van wetenschappers van zes instellingen, past een ultramodern algoritme aan het gyrokinetische systeem aan om de "belangrijkste numerieke doorbraken te ontwikkelen die nodig zijn om nauwkeurige simulaties te bieden, ' zei Hakim.

Wereldwijde inspanning

Dergelijke doorbraken maken deel uit van de wereldwijde poging om de wetenschap achter de productie van fusiereacties op aarde te begrijpen. Fusiereacties combineren lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen die 99 procent van het zichtbare universum uitmaken - om enorme hoeveelheden energie te genereren die een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening zouden kunnen leveren om elektriciteit voor de mensheid op te wekken.

Noach Mandel, een afgestudeerde student in het Princeton University Program in Plasma Physics, gebouwd op het werk van het team om de eerste gyrokinetische code te ontwikkelen die in staat is om magnetische fluctuaties aan te pakken in wat de plasma-afschraaplaag (SOL) aan de rand van tokamak-plasma's wordt genoemd. De Britten Journal of Plasma Physics heeft zijn rapport gepubliceerd en gemarkeerd als een uitgelicht artikel.

Mandell onderzoekt hoe blob-achtige plasmaturbulentie magnetische veldlijnen buigt, wat leidt tot de dynamiek van 'dansende veldlijnen'. Hij vindt dat veldlijnen meestal soepel bewegen, maar wanneer ze dansen, kunnen ze abrupt opnieuw worden geconfigureerd in herverbindingsgebeurtenissen die ervoor zorgen dat ze samenkomen en gewelddadig uit elkaar vallen.

De bevindingen van Mandell kunnen het best worden omschreven als "proof-of-concept" met betrekking tot de magnetische fluctuaties, hij zei. "We weten dat er meer fysieke effecten aan de code moeten worden toegevoegd voor gedetailleerde vergelijkingen met experimenten, maar de simulaties laten al interessante eigenschappen zien nabij de plasmarand, " zei hij. "Het vermogen om buiging van de magnetische veldlijnen aan te kunnen, zal ook essentieel zijn voor toekomstige simulaties van randgelokaliseerde modi (ELM's), wat we graag willen doen om de uitbarstingen van hitte die ze veroorzaken beter te begrijpen en die moeten worden gecontroleerd om tokamak-schade te voorkomen."

Zeer uitdagend

Wat deze bevinding uniek maakt, is dat eerdere gyrokinetische codes SOL-blobs hebben gesimuleerd, maar aangenomen dat de veldlijnen rigide waren, merkte Mandell op. Het uitbreiden van een gyrokinetische code om de beweging van magnetische veldlijnen te berekenen is rekenkundig zeer uitdagend, speciale algoritmen vereisen om ervoor te zorgen dat twee grote termen elkaar in evenwicht houden met een nauwkeurigheid van beter dan 1 deel op een miljoen.

Bovendien, terwijl codes die turbulentie in de kern van de tokamak modelleren magnetische fluctuaties kunnen bevatten, dergelijke codes kunnen de SOL-regio niet simuleren. "De SOL vereist gespecialiseerde codes zoals Gkeyll die veel grotere plasmafluctuaties en interacties met de wanden van de reactor aankunnen, ' zei Mandel.

Toekomstige stappen voor de Gkeyll-groep omvatten het onderzoeken van het precieze fysieke mechanisme dat de dynamiek van de plasmarand beïnvloedt, een effect dat waarschijnlijk verband houdt met de buigende veldlijnen. "Dit werk biedt stapstenen die ik erg belangrijk vind, "Zei Hakim. "Zonder de algoritmen die we hebben gemaakt, deze bevindingen zouden heel moeilijk toe te passen zijn op ITER en andere machines."