Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben ontdekt dat het bijwerken van een wiskundig model met een fysieke eigenschap die bekend staat als soortelijke weerstand zou kunnen leiden tot een verbeterd ontwerp van donutvormige fusiefaciliteiten die bekend staan ​​als tokamaks.

"Weerstand is de eigenschap van elke stof die de stroom van elektriciteit remt", zegt PPPL-natuurkundige Nathaniel Ferraro, een van de samenwerkende onderzoekers. "Het is een beetje zoals de viscositeit van een vloeistof, waardoor dingen er niet doorheen kunnen bewegen. Een steen beweegt bijvoorbeeld langzamer door melasse dan door water, en langzamer door water dan door lucht."

Wetenschappers hebben een nieuwe manier ontdekt waarop resistiviteit instabiliteiten kan veroorzaken in de plasmarand, waar temperaturen en drukken sterk stijgen. Door weerstand op te nemen in modellen die het gedrag van plasma voorspellen, een soep van elektronen en atoomkernen die 99% van het zichtbare heelal uitmaken, kunnen wetenschappers systemen ontwerpen voor toekomstige fusiefaciliteiten die het plasma stabieler maken.

"We willen deze kennis gebruiken om erachter te komen hoe we een model kunnen ontwikkelen waarmee we bepaalde plasmakenmerken kunnen aansluiten en voorspellen of het plasma stabiel zal zijn voordat we daadwerkelijk een experiment doen", zegt Andreas Kleiner, een PPPL-fysicus die de hoofdauteur van een paper die de resultaten rapporteert in Nuclear Fusion . "Kortom, in dit onderzoek zagen we dat weerstand ertoe doet en onze modellen zouden dit moeten opnemen", zei hij.

Fusie, de kracht die de zon en de sterren aandrijft, combineert lichte elementen in de vorm van plasma - de hete, geladen toestand van materie die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen - en genereert enorme hoeveelheden energie. Wetenschappers proberen fusie op aarde te benutten voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

Wetenschappers willen dat het plasma stabiel is, omdat instabiliteiten kunnen leiden tot plasma-uitbarstingen die bekend staan ​​als edge-localized modes (ELM's) die de interne componenten van de tokamak in de loop van de tijd kunnen beschadigen, waardoor die componenten vaker moeten worden vervangen. Toekomstige fusiereactoren zullen echter maandenlang moeten draaien zonder te stoppen voor reparaties.

"We moeten erop kunnen vertrouwen dat het plasma in deze toekomstige faciliteiten stabiel zal zijn zonder dat we prototypes op ware grootte hoeven te bouwen, wat onbetaalbaar en tijdrovend is", zei Ferraro. "In het geval van edge-gelokaliseerde modi en enkele andere verschijnselen, kan het niet stabiliseren van het plasma leiden tot schade of een kortere levensduur van componenten in deze faciliteiten, dus het is erg belangrijk om het goed te doen."

Natuurkundigen gebruiken een computermodel dat bekend staat als EPED om het gedrag van plasma in conventionele tokamaks te voorspellen, maar de voorspellingen die door de code worden geproduceerd voor een verscheidenheid aan plasmamachines die bekend staan ​​als sferische tokamaks, zijn niet altijd nauwkeurig. Natuurkundigen bestuderen sferische tokamaks, compacte faciliteiten zoals de National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) bij PPPL die lijken op appels met klokhuis, als een mogelijk ontwerp voor een fusieproeffabriek.

Met behulp van de krachtige computers in het National Energy Research Scientific Computing Center, een DOE Office of Science-gebruikersfaciliteit in het Lawrence Berkeley National Laboratory in Berkeley, Californië, probeerden Kleiner en het team weerstand toe te voegen aan een plasmamodel en ontdekten dat de voorspellingen begonnen overeen te komen waarnemingen.

"Andreas onderzocht de gegevens van verschillende eerdere plasmaontladingen en ontdekte dat resistieve effecten erg belangrijk waren", zegt Rajesh Maingi, hoofd van de Tokamak Experimental Sciences Department van PPPL. "The experiments showed that these effects were probably causing the ELMs we were seeing. The improved model could show us how to change the profiles of plasma in future facilities to get rid of the ELMs."

Using these types of computer models is a standard procedure that lets physicists predict what plasma will do in future fusion machines and design those machines to make the plasma behave in a way to make fusion more likely. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.

"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.

This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.

Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Verder verkennen

State-of-the-art computer code could advance efforts to harness fusion energy