Een manier waarop wetenschappers het fusieproces dat de zon en de sterren aandrijft naar de aarde proberen te brengen, is hete, hete, geladen plasmagas in een draaiend magnetisch spoelapparaat in de vorm van een ontbijtcruller. Maar het apparaat een stellarator genoemd, moet nauwkeurig worden ontworpen om te voorkomen dat warmte ontsnapt uit de plasmakern waar het de fusiereacties opstookt. Nutsvoorzieningen, onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben aangetoond dat een geavanceerde computercode kan helpen bij het ontwerpen van stellarators die de essentiële warmte effectiever opsluiten.

De code, genaamd XGC-S, opent nieuwe deuren in stellaratoronderzoek. "Het belangrijkste resultaat van ons onderzoek is dat we de code kunnen gebruiken om zowel de vroege, of lineair, en turbulent plasmagedrag in stellarators, " zei PPPL-natuurkundige Michael Cole, hoofdauteur van de paper die de resultaten rapporteert in Fysica van plasma's . "Dit betekent dat we kunnen beginnen te bepalen welke stellaratorvorm het beste warmte bevat en het meest efficiënt de voorwaarden voor fusie handhaaft."

Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - en genereert enorme hoeveelheden energie in de zon en de sterren. Wetenschappers streven ernaar fusie in apparaten op aarde te repliceren voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone stroom om elektriciteit op te wekken.

De PPPL-wetenschappers simuleerden het gedrag van plasma in fusiemachines die eruitzien als een donut, maar met knijpen en vervormingen die het apparaat efficiënter maken, een soort vorm die bekend staat als quasi-axisymetrisch. De onderzoekers gebruikten een bijgewerkte versie van XGC, een state-of-the-art code ontwikkeld bij PPPL voor het modelleren van turbulentie in donutvormige fusie-installaties genaamd tokamaks, die een eenvoudiger geometrie hebben. Dankzij de aanpassingen door Cole en zijn collega's kon de nieuwe XGC-S-code ook plasma's modelleren in de geometrisch meer gecompliceerde stellarators.

De simulaties toonden aan dat een soort verstoring die beperkt is tot een klein gebied complex kan worden en zich kan uitbreiden om een ​​grotere ruimte in het plasma te vullen. De resultaten toonden aan dat XGC-S dit type stellaratorplasma nauwkeuriger kon simuleren dan voorheen mogelijk was.

"Ik denk dat dit het begin is van een heel belangrijke ontwikkeling in de studie van turbulentie in stellarators, " zei David Gates, hoofd van de afdeling geavanceerde projecten bij PPPL. "Het opent een groot venster voor het verkrijgen van nieuwe resultaten."

De bevindingen demonstreren de succesvolle wijziging van de XGC-code om turbulentie in stellarators te simuleren. De code kan de turbulentie in stellarators berekenen, helemaal van de plasmakern tot aan de rand, om een ​​vollediger beeld te krijgen van het gedrag van het plasma.

"Turbulentie is een van de belangrijkste mechanismen die ervoor zorgen dat warmte uit fusieplasma's lekt, Cole zei. "Omdat stellarators in een grotere verscheidenheid aan vormen kunnen worden gebouwd dan tokamaks, misschien kunnen we vormen vinden die turbulentie beter beheersen dan tokamaks. Ze zoeken door veel grote experimenten te bouwen is te duur, dus we hebben grote simulaties nodig om ze virtueel te zoeken."

De onderzoekers zijn van plan om XGC-S verder aan te passen om een ​​nog duidelijker beeld te krijgen van hoe turbulentie warmtelekkage veroorzaakt. Hoe completer een beeld, hoe dichter wetenschappers bij het simuleren van stellarator-experimenten in het virtuele rijk zullen zijn. "Als je eenmaal een nauwkeurige code en een krachtige computer hebt, het veranderen van het stellaratorontwerp dat u simuleert is eenvoudig, ' zei Cole.