Wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een beter begrip gekregen van een barrière die kan voorkomen dat donutvormige fusiefaciliteiten, bekend als tokamaks, met een hoog rendement werken door ervoor te zorgen dat vitale warmte verloren gaat.

Onder leiding van PPPL-natuurkundige Roscoe White, het onderzoeksteam gebruikte computers om een ​​soort plasmabeweging te simuleren die zeer energetische deeltjes van de kern naar de rand kan stoten, een fenomeen dat kan optreden in ITER, de multinationale tokamak die in Frankrijk wordt gebouwd om de haalbaarheid van fusie als energiebron aan te tonen.

"Om elk fusieapparaat te laten werken, je moet ervoor zorgen dat de zeer energetische deeltjes erin zeer goed opgesloten zijn in de plasmakern, " zei PPPL-natuurkundige Vinícius Duarte, een lid van het onderzoeksteam dat de resultaten rapporteerde in Fysica van plasma's . "Als die deeltjes naar de rand van het plasma drijven, je kunt het stationaire brandende plasma dat nodig is om fusie-aangedreven elektriciteit te realiseren niet volhouden."

Duarte verwijst naar een fenomeen dat 'tsjilpen' wordt genoemd en dat optreedt wanneer de frequentie van de plasmagolven die interageren met zeer energetische deeltjes plotseling verandert, waardoor er uiteindelijk energie uit de plasmakern ontsnapt en snel veranderende tonen worden geproduceerd. De nieuwe bevindingen, die aspecten verduidelijken van hoe getjilp zich vormt in een tokamak, zou onderzoekers kunnen helpen erachter te komen hoe ze de tjilpen kunnen tegengaan en de vitale hitte kunnen behouden. Het voorkomen van de plotselinge frequentieveranderingen zou ook de tokamak-wanden kunnen beschermen tegen het plotseling vrijkomen van geconcentreerde en schadelijke uitbarstingen van energie.

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 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 onderzoekers gebruikten computersimulaties die zeer gedetailleerde weergaven van de beweging van conglomeraties van plasmadeeltjes lieten zien om enkele van de mechanismen te onthullen die verantwoordelijk zijn voor het getjilp, hoop geven dat wetenschappers manieren kunnen vinden om de effecten ervan te verbeteren. Wetenschappers gebruikten de PPPL-code ORBIT om te berekenen hoe de positie en snelheid van plasmadeeltjes in de loop van de tijd veranderen in drie dimensies. De simulaties toonden aan dat getjilp begint wanneer snel bewegende deeltjes in de kern interageren met golven die door het plasma golven en spontaan klonten vormen die naar de plasmarand migreren. De bevindingen bevestigen eerdere resultaten op basis van vereenvoudigde tokamak-configuraties; ze onthullen ook een rijkere en complexere dynamiek die nog niet eerder is gezien.

Deze interactie met plasmadeeltjes zorgt ervoor dat de frequentie van de zogenaamde plasma-Alfvén-golven gelijktijdig stijgt en daalt, de klonten naar de plasmarand en soms in de muur katapulteren. "De tools die in dit onderzoek zijn ontwikkeld, hebben een glimp mogelijk gemaakt van de gecompliceerde, zelfgeorganiseerde dynamiek van de chirps in een tokamak, ' zei Duarte.

De wetenschappers moesten nieuwe virtuele hulpmiddelen maken om de beweging van de gesimuleerde golven met het benodigde detail te observeren. "Het moeilijkste was het uitvinden van de diagnostiek die duidelijk zou laten zien wat er aan de hand was, "zei White. "In zekere zin, het is alsof je een microscoop bouwt waarmee je kunt zien wat je moet zien."

De nieuwe bevindingen zetten een langdurige inspanning voort door leden van de PPPL-theorieafdeling die zich richt op het begrijpen van getjilp, vooral binnen PPPL's ​​National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U). "Als je het begrijpt, " zegt Wit, "Je kunt manieren vinden om fusiefaciliteiten te gebruiken zonder dat."