In een brandend plasma is het handhaven van de opsluiting van door fusie geproduceerde energetische ionen essentieel voor het produceren van energie. Deze fusieplasma's herbergen een breed scala aan elektromagnetische golven die energetische ionen uit het plasma kunnen duwen.

Dit vermindert de verwarming van het plasma door fusiereactieproducten en maakt een einde aan de brandende plasmatoestand. Recente metingen bij de DIII-D National Fusion Facility leveren de eerste directe waarnemingen op van energetische ionen die door de ruimte en energie bewegen in een tokamak.

Onderzoekers combineerden deze metingen met geavanceerde computermodellen van elektromagnetische golven en hoe deze interageren met energetische ionen. De resultaten bieden een beter begrip van de wisselwerking tussen plasmagolven en energetische ionen in fusieplasma's.

Plasmafysica en fusieonderzoek evolueren van experimentele faciliteiten naar demonstratie-energiecentraleontwerpen. Om deze stap tot een succes te maken, hebben onderzoekers nauwkeurige simulaties en andere hulpmiddelen nodig die voorspellen hoe ontwerpen van energiecentrales zullen presteren. De meeste huidige faciliteiten produceren geen brandende plasma's.

Onderzoekers begrijpen echter veel van de relevante natuurkunde en ontwikkelen simulaties om waargenomen experimenteel gedrag te reproduceren. Het huidige onderzoek heeft nieuwe metingen gedaan van de energetische ionenstroom in de DIII-D tokamak. Dit zal de ontwikkeling versnellen van modellen die rekening houden met alle relevante golf-ion-interactiedynamieken. Dit verbeterde begrip maakt ook de toepassing van faseruimtetechniek mogelijk.

Onderzoekers kunnen dit proces gebruiken om nieuwe fusieplasmascenario's te ontwerpen op basis van voorspelde ideale interacties tussen golven en ionen. Deze interacties kunnen met name ook satellieten schaden, dus dit onderzoek kan hun betrouwbaarheid helpen verbeteren.

Onderzoekers van de DIII-D National Fusion Facility, een gebruikersfaciliteit van het Department of Energy, hebben de eerste metingen van een nieuw diagnostisch systeem, de Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), gebruikt om de stroom van energetische ionen in een tokamak te observeren. P>

Een meerjarige inspanning om de INPA te conceptualiseren, ontwerpen en bouwen heeft nu de allereerste mogelijkheid opgeleverd om dit gedrag te observeren. Nadat ze door neutrale stralen in de tokamak zijn geïnjecteerd, interageren energetische ionen met elektromagnetische plasmagolven en stromen ze in energie en positie door de tokamak. Simulaties reproduceren het waargenomen gedrag en demonstreren daarmee de nauwkeurigheid van de basismodellen bij het beschrijven van de onderliggende fysica.

Een beter begrip van deze interacties tussen golven en deeltjes is relevant voor het ontwerp van fusie-energiecentrales en voor een beter begrip van het gedrag van plasma's die in de ruimte worden waargenomen.

De INPA meet de energie van door neutrale stralen geïnjecteerde energetische ionen, die energieën hebben die groter zijn dan die van het achtergrondplasma, over de tijd en de ruimtelijke positie van de hete plasmakern tot aan de koude plasmarand, waar de ionen verloren kunnen gaan.

In combinatie met geavanceerde, krachtige computersimulaties die zowel het spectrum van elektromagnetische golven als de interacties met energetische ionen modelleren, bieden deze experimenten het meest gedetailleerde inzicht in de wisselwerking tussen plasmagolven en energetische ionen in fusieplasma's.

Dit verbeterde begrip stelt onderzoekers ook in staat faseruimtetechniek toe te passen, een proces waarin ze nieuwe fusieplasmascenario's ontwerpen op basis van voorspelde ideale interacties tussen golven en ionen. Dit soort interacties vinden plaats in de ruimte.

Elektromagnetische ionencyclotrongolven (EMIC) zorgen er bijvoorbeeld voor dat elektronen door ruimte en energie stromen. In sommige gevallen zijn elektronen zodanig versneld dat ze storingen in satellieten veroorzaken. Een beter begrip van resonante interactieprocessen tussen golven en deeltjes via fusieplasmaonderzoek draagt ​​bij aan simulaties van plasma in de ruimte, wat de betrouwbaarheid van toekomstige satellietmissies zou kunnen verbeteren.

De bevindingen zijn gepubliceerd in het tijdschrift Nuclear Fusion .

Meer informatie: XD Du et al, Visualisatie van snelle ionenfase-ruimtestroom in plasma's ver onder, dichtbij en ruim boven de eigenmodusstabiliteitsdrempel van Alfvén in tokamak, Kernfusie (2023). DOI:10.1088/1741-4326/acbec5

J. Gonzalez-Martin et al, Modellering van de door Alfvén eigenmode geïnduceerde snelle ionenstroom gemeten door een beeldvormende neutrale deeltjesanalysator, Kernfusie (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac7406

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie