Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben de bron voorgesteld van de plotselinge en raadselachtige ineenstorting van warmte die voorafgaat aan verstoringen die donutvormige tokamak-fusiefaciliteiten kunnen beschadigen. Door met de bron om te gaan, zou een van de meest kritieke uitdagingen waarmee toekomstige fusie-installaties te maken zullen krijgen het hoofd kunnen worden geboden en de productie op aarde van de fusie-energie die de zon en de sterren aandrijft, dichter bij de realiteit brengen.

Onderzoekers traceerden de ineenstorting tot de 3D-wanorde van de sterke magnetische velden die het hete, geladen plasmagas opkroppen dat de reacties voedt. "We hebben een nieuwe manier voorgesteld om de [ongeordende] veldlijnen te begrijpen, die in de eerdere onderzoeken meestal genegeerd of slecht gemodelleerd werden", zegt Min-Gu Yoo, een postdoctoraal onderzoeker bij PPPL en hoofdauteur van een Physics van plasma's papier geselecteerd als keuze van de redacteur samen met een figuur op de omslag van het juli-nummer. Yoo is sindsdien stafwetenschapper geworden bij General Atomics in San Diego.

De sterke magnetische velden vervangen in fusiefaciliteiten de immense zwaartekracht die fusiereacties op hun plaats houdt in hemellichamen. Maar wanneer in laboratoriumexperimenten verstoord door plasma-instabiliteit, zorgen de veldlijnen ervoor dat de superhete plasmawarmte snel kan ontsnappen aan de opsluiting. Dergelijke hitte van een miljoen graden verplettert plasmadeeltjes samen om fusie-energie vrij te geven en kan de muren van de fusiefaciliteit raken en beschadigen wanneer ze uit de opsluiting worden bevrijd.

"In het geval van een grote verstoring worden veldlijnen totaal [wanordelijk] zoals spaghetti en verbinden ze zich snel met de muur met zeer verschillende lengtes", zegt hoofdonderzoeksfysicus Weixing Wang, Yoo's PPPL-adviseur en een co-auteur van het artikel. "Dat brengt enorme thermische plasma-energie tegen de muur."

Fusie combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Plasma bevat vrije elektronen en atoomkernen, of ionen, en omvat 99% van het zichtbare heelal. Wetenschappers over de hele wereld proberen het fusieproces op aarde vast te leggen en te beheersen om een ​​schone, koolstofvrije en vrijwel onuitputtelijke energiebron te creëren om elektriciteit op te wekken.

Heuvels en dalen

Wat niet eerder bekend was, was de 3D-vorm, of topologie, van de verwarde veldlijnen veroorzaakt door turbulente instabiliteit. De topologie vormt kleine heuvels en valleien, legt Yoo uit, waarbij sommige deeltjes achterblijven in valleien en niet in staat zijn om opsluiting te ontsnappen, terwijl andere de heuvels afrollen en de muren van de faciliteit raken

"Het bestaan ​​van deze heuvels is verantwoordelijk voor de snelle ineenstorting van de temperatuur, de zogenaamde thermische quench, omdat ze meer deeltjes laten ontsnappen naar de tokamak-muur," zei Yoo. "Wat we in het artikel hebben laten zien, is hoe je een goede kaart kunt tekenen om de topologie van de veldlijnen te begrijpen. Zonder magnetische heuvels zouden de meeste elektronen zijn opgesloten en zouden ze niet de thermische uitdoving kunnen produceren die in experimenten is waargenomen."

PPPL-wetenschappers simuleerden de thermische quench-topologie als een complexe 3D-structuur in plaats van een eenvoudige 1D-structuur zoals deze was afgebeeld. Daarbij vermeden de onderzoekers veelvoorkomende oversimplificaties die de fysica zouden kunnen misleiden.

Wat de topologie moeilijk te begrijpen maakte, was de complexe interactie tussen de elektrische en magnetische velden in de faciliteit, zei Yoo. PPPL-onderzoekers hebben de interactie ontrafeld met behulp van de GTS-code van het laboratorium, die het effect van turbulente instabiliteit op de beweging van deeltjes simuleert. De code onthulde dat het elektrische veld dat in faciliteiten wordt geproduceerd, deeltjes tussen spaghetti-achtige stochastische magnetische veldlijnen schopt en vervolgens de beweging van ingesloten deeltjes langs de veldlijnen vergemakkelijkt die aanleiding geven tot de thermische uitdoving.

"Dit onderzoek biedt nieuwe fysieke inzichten in hoe het plasma zijn energie naar de muur verliest wanneer er open magnetische veldlijnen zijn," zei Yoo. "Het nieuwe begrip zou nuttig zijn bij het vinden van innovatieve manieren om thermische uitdoving en plasmaverstoringen in de toekomst te verminderen of te voorkomen." + Verder verkennen

Opgewaardeerde code onthult een bron van schadelijke fusieverstoringen