Het turbulentiemodel genaamd Gyrokinetic Electromagnetic Numerical Experiment (GENE), ontwikkeld aan het Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) in Garching, Duitsland, is zeer nuttig gebleken voor de theoretische beschrijving van turbulentie in het plasma van fusie-apparaten van het tokamak-type. Uitgebreid voor de meer complexe geometrie van stellarator-achtige apparaten, computersimulaties met GENE wijzen nu op een nieuwe methode om plasmaturbulentie in stellaratorplasma's te verminderen. Dit zou de efficiëntie van een toekomstige fusiecentrale aanzienlijk kunnen verhogen.

Voor de fusieonderzoekers van IPP, die een energiecentrale willen ontwikkelen op basis van het model van de zon, de vorming van turbulentie in zijn brandstof - een waterstofplasma - is een centraal onderzoeksonderwerp. De kleine draaikolken voeren deeltjes en warmte uit het hete plasmacentrum en verminderen zo de thermische isolatie van het magnetisch opgesloten plasma. Omdat de grootte en dus de prijs van elektriciteit van een toekomstige fusiecentrale ervan afhangt, een van de belangrijkste doelen is om te begrijpen, dit "turbulente transport" voorspellen en beïnvloeden.

Aangezien de exacte computationele beschrijving van plasmaturbulentie de oplossing van zeer complexe stelsels van vergelijkingen en de uitvoering van talloze rekenstappen zou vereisen, het code-ontwikkelingsproces is gericht op het realiseren van redelijke vereenvoudigingen. De GENE-code die bij IPP is ontwikkeld, is gebaseerd op een reeks vereenvoudigde, zogenaamde gyrokinetische vergelijkingen. Ze negeren alle verschijnselen in het plasma die geen grote rol spelen bij turbulent transport. Hoewel de rekeninspanning op deze manier met vele ordes van grootte kan worden verminderd, 's werelds snelste en krachtigste supercomputers zijn altijd nodig geweest om de code verder te ontwikkelen. Ondertussen, GENE is in staat om de vorming en voortplanting van kleine laagfrequente plasmawervelingen in het plasma-interieur goed te beschrijven en de experimentele resultaten te reproduceren en te verklaren, maar oorspronkelijk alleen voor de eenvoudig geconstrueerde, omdat axisymmetrische fusiesystemen van het tokamak-type.

Bijvoorbeeld, berekeningen met GENE toonden aan dat snelle ionen turbulent transport in tokamak-plasma's sterk kunnen verminderen. Experimenten bij de ASDEX Upgrade tokamak in Garching bevestigden dit resultaat. De vereiste snelle ionen werden geleverd door plasmaverwarming met behulp van radiogolven van de ionencyclotronfrequentie.

Een tokamak-code voor stellarators

In stellarators, deze turbulentieonderdrukking door snelle ionen was tot nu toe niet experimenteel waargenomen. Echter, de laatste berekeningen met GENE suggereren nu dat dit effect ook zou moeten bestaan ​​in stellaratorplasma's:in de Wendelstein 7-X stellarator bij IPP in Greifswald, het zou de turbulentie in theorie met meer dan de helft kunnen verminderen. Zoals IPP-wetenschappers Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro en Frank Jenko laten zien in het journaal Fysieke beoordelingsbrieven , de optimale ionentemperatuur hangt sterk af van de vorm van het magnetische veld.

Professor Frank Jenko, hoofd van de afdeling Tokamak Theorie van IPP in Garching, zegt, "Als dit berekende resultaat wordt bevestigd in toekomstige experimenten met Wendelstein 7-X in Greifswald, dit zou de weg kunnen openen naar interessante hoogwaardige plasma's."

Om GENE te gebruiken voor turbulentieberekening in de meer gecompliceerde gevormde plasma's van stellarators, grote code-aanpassingen waren nodig. Zonder de axiale symmetrie van de tokamaks, men heeft te maken met een veel complexere geometrie voor stellarators.

Voor professor Per Helander, hoofd van de afdeling Stellarator Theory bij IPP in Greifswald, de stellarator-simulaties die met GENE zijn uitgevoerd, zijn "zeer opwindende fysica". Hij hoopt dat de resultaten kunnen worden geverifieerd in de Wendelstein 7-X stellarator in Greifswald. "Of de plasmawaarden in Wendelstein 7-X geschikt zijn voor dergelijke experimenten, kan worden onderzocht wanneer, in de komende proefperiode, naast de huidige microgolf- en deeltjesverwarming wordt het radiogolfverwarmingssysteem in gebruik genomen, " zegt professor Robert Wolf, wiens afdeling verantwoordelijk is voor plasmaverwarming.

GEN wordt GEN-3-D

Volgens Frank Jenko, het was weer een "enorme stap" om GENE niet alleen bij benadering, maar helemaal geschikt voor het complex, driedimensionale vorm van stellarators. Na bijna vijf jaar ontwikkelingswerk, de code GEN-3-D, nu gepresenteerd in de Journal of Computational Physics door Maurice Maurer en co-auteurs, biedt een "snelle en toch realistische turbulentieberekening, ook voor stellarators, ", zegt Frank Jenko. In tegenstelling tot andere turbulentiecodes van stellaratoren, GENE-3-D beschrijft de volledige dynamiek van het systeem, d.w.z. de turbulente beweging van de ionen en ook van de elektronen over het gehele binnenvolume van het plasma, inclusief de resulterende fluctuaties van het magnetische veld.