Net zoals er golven in de oceaan zijn, kunnen golven ook voorkomen in een elektrisch geladen gas, plasma genaamd, dat bestaat uit elektronen en ionen. In de oceaan surfen mensen door met bijna dezelfde snelheid op hun boards te rijden als de golven. Deze bijpassende toestand, resonantie genoemd, zorgt ervoor dat de golf de surfer efficiënt kan duwen door energie uit te wisselen.

In plasma's kunnen de surfers zeer snelle ionen zijn, die in fusie-apparaten kunnen voorkomen als gevolg van fusiereacties of andere processen die worden gebruikt om het plasma te verwarmen. Deze snelle ionen doen vaak het tegenovergestelde van surfers in de oceaan:ze geven energie aan de golven, waardoor ze groter worden. Terwijl de resonante deeltjes energie uitwisselen met de golven, worden ze door willekeurige botsingen ook verdrongen door andere deeltjes in het plasma.

Het type van deze botsingen, en hoe vaak ze voorkomen, bepaalt hoe groot de golven zullen worden en hoeveel de deeltjes rond zullen klotsen. Als de golven te groot of te talrijk worden, kunnen ze de surfende deeltjes uit het apparaat schoppen, wat een potentieel gevaar voor de muren vormt en ook de hoeveelheid geproduceerde fusie-energie vermindert.

Het plasma in fusiereactoren moet constant worden verwarmd om de temperaturen te behouden die nodig zijn voor de productie van energie. De snelle ionen die het plasma verwarmen, kunnen echter ook resoneren met golven in het plasma. Hierdoor kunnen deze golven groeien en mogelijk de snelle ionen uit het apparaat schoppen.

Onderzoekers moeten de resonante interacties tussen snelle ionen en plasmagolven begrijpen om eventuele nadelige effecten te kunnen voorspellen en verzachten. Een onderzoek, nu gepubliceerd in Physical Review Letters , combineerde wiskundige berekeningen met computersimulaties om te onthullen hoe verschillende soorten botsingen concurreren om de manier te bepalen waarop energie wordt overgedragen tussen de resonante deeltjes en de plasmagolven.

Onderzoekers gebruiken dit nieuwe inzicht om modellen te formuleren over hoe plasma’s warm genoeg kunnen worden gehouden om fusiereacties te ondersteunen. Het resonante golf-deeltjesplasmaprobleem is ook relevant voor sommige zwaartekrachtinteracties in sterrenstelsels. Dit betekent dat de methoden in dit project kunnen worden toegepast op astrofysisch onderzoek, inclusief werk aan donkere materie.

Bij fusie-experimenten houden snelle ionen het plasma warm genoeg om te fuseren door hun energie aan het achtergrondplasma te geven door middel van botsingen met elektronen. Er doen zich twee verschillende soorten botsingen voor:diffuse verstrooiing en convectieve weerstand. Diffusieve botsingen zijn van hetzelfde type dat leidt tot het verspreiden van biljartballen op een pooltafel.

Ondertussen zijn sleepbotsingen verantwoordelijk voor de kracht die u op uw hand voelt wanneer u deze uit het raam van een rijdende auto steekt. Afhankelijk van de snelheid van de snelle ionen en de temperatuur van het plasma, concurreert elk type botsing om een ​​grotere invloed uit te oefenen op het gedrag van de snelle ionen. In het bijzonder maakt een grotere snelle ionensnelheid weerstand belangrijker, terwijl een hogere plasmatemperatuur diffusie bevordert.

Terwijl de snelle ionen het achtergrondplasma door botsingen verwarmen, kunnen ze ook resonant interageren met plasmagolven die hun energie ondermijnen, waardoor het plasma mogelijk wordt afgekoeld. Zonder botsingen ontstaat er pas een resonantie tussen de snelle ionen en golven als de snelheid van de deeltjes exact overeenkomt met de snelheid van de golf.

Wetenschappers weten al lang dat diffuse botsingen de resonantie 'uitsmeren', waardoor deeltjes efficiënt energie kunnen uitwisselen met de golf, zelfs als hun snelheid iets sneller of langzamer is dan de beweging van de golf. De nieuwe ontdekking uit dit onderzoek is dat wanneer er weerstand aanwezig is, dit type botsing de snelheid verschuift waarmee de resonantie optreedt, wat impliceert dat energie feitelijk het meest efficiënt wordt uitgewisseld als er een klein verschil is tussen de snelheid van het snelle ion en het plasma. golven.

In deze studie karakteriseerden onderzoekers de sterkte van de golf-deeltje-interactie met een wiskundig object genaamd de resonantiefunctie, die afhangt van het verschil tussen de golf- en deeltjessnelheid. Wanneer botsingen met weerstand veel vaker plaatsvinden dan diffuse botsingen, gebeurt er iets dat zelfs nog bizarder is:er zijn geheel nieuwe snelheden waarmee efficiënte energieoverdracht mogelijk wordt.

Dit fenomeen creëert effectief nieuwe resonanties die zonder weerstand helemaal niet bestonden, vertegenwoordigd door nieuwe pieken die verschijnen in de resonantiefunctie en het bereik van de resonante interactie vergroten. De resonantiefunctie, geheel theoretisch afgeleid, bepaalt hoe groot de golven zullen worden door zich te voeden met de vrije energie van de resonante snelle ionen, en ook hoe die deeltjes door de golf rondgeschopt zullen worden.

Niet-lineaire computersimulaties kwamen uitstekend overeen met de theoretische voorspellingen, waardoor de geldigheid van de afgeleide resonantiefunctie voor elke combinatie van de twee soorten botsingen werd bevestigd, en ons fundamentele begrip werd bevorderd van hoe botsingen de resonante golf-deeltjesinteracties in plasma's beïnvloeden. Nu de basistheorie is geverifieerd, kan deze nu met vertrouwen worden toegepast om de codes te verbeteren die worden gebruikt om te simuleren hoe snel ionen zich gedragen in fusie-apparaten, een cruciale stap op weg naar de ontwikkeling van commerciële fusie-energiecentrales.

Meer informatie: V. N. Duarte et al, Verschuiving en splitsing van resonantielijnen als gevolg van dynamische wrijving in plasma's, Fysieke recensiebrieven (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.105101

Journaalinformatie: Fysieke beoordelingsbrieven

Aangeboden door het Amerikaanse ministerie van Energie