National Institute for Fusion Science har utvecklat ny kod som kan simulera rörelse av plasma och, samtidigt, rörelsen av partiklar som cirkulerar vid höga hastigheter. I den japanska fusionsreaktorn kallad Large Helical Device (LHD), forskare har undersökt plasmasvängningar som orsakas av partiklar med hög energi. Nya forskningsresultat, tillsammans med data från LHD -experiment, har förtydligat detaljerna i svängningar som inte kan mätas genom experiment och interaktionen mellan högenergipartiklar och deras oscillationer.

Alfa-partiklar med hög energi (heliumjoner), genereras av fusionsreaktioner med deuterium och tritium, värm plasma och bibehåll de höga temperaturförhållanden som är nödvändiga för fusionsreaktion. Förutsägelsen av deras beteende och deras kontroll är nycklarna för att upprätthålla fusionsreaktionen. Å andra sidan, plasma är också en vätska som leder elektricitet. Och eftersom flödet av elektrisk ström producerar ett magnetfält, detta kallas magnetofluid, eller magnetohydrodynamisk vätska.

Plasma som är magnetofluid oscillerar. När oscillationsperioden och perioden för högenergi-alfa-partiklar som cirkulerar inuti en plasma matchar, det finns en möjlighet att oscillationsamplituden kommer att öka på grund av resonans. Som ett resultat, eftersom alfa-partiklar med hög energi flyr ur plasma, det finns oro för att fusionsreaktorns prestanda kommer att försämras. För att realisera produktionen av fusionselektricitet, det är absolut nödvändigt att göra mycket tillförlitliga förutsägelser om distributionen av högenergipartiklar som innehåller plasmas interaktion med svängningar.

Forskargruppen som leds av professor Yasushi Todo och biträdande professor Hao Wang vid National Institute for Fusion Science (NIFS) har utvecklat ett program som kan simulera plasmabeteendet och rörelser av högenergipartiklar (programmet kallas "hybridsimulering" eftersom den förbinder vätska och partiklar). Det är nu möjligt att simulera interaktionen mellan plasmasvängning och högenergipartiklar, vilket inte var möjligt med tidigare metoder som beräknade plasma och högenergipartiklar separat.

Med hjälp av detta hybridsimuleringsprogram på superdatorer - NIFS plasmasimulator och Helios, av International Fusion Energy Research Center — forskarna genomförde en storskalig simulering av LHD-plasma. I LHD -experimenten, de forskade på högenergipartiklar och plasmasvängningar med hjälp av högenergipartiklar som genererades genom neutral stråleinjektion (se fig. 1). I simuleringsresultaten som visas i figur 2, tillsammans med experimentella data för plasmasvängningar som orsakas av högenergipartiklarna, de förtydligade detaljerna i svängningar som inte kan mätas genom experiment, liksom interaktionen mellan högenergipartiklar som orsakar amplifiering av oscillation.

Detta hybridsimuleringsprogram är lämpligt inte bara för LHD utan även för fusionsplasma -experiment i Japan och utomlands. Genom att jämföra de experimentella resultaten avseende fördelningen av högenergipartiklar och oscillationer, programmets tillförlitlighet har bekräftats. Genom att framgångsrikt återge LHD -experimentet, forskarna har tagit fram det första programmet som kan simulera högenergipartiklar och plasmasvängningar.

Detta forskningsresultat tillkännagavs vid den 26:e International Atomic Energy Agency-konferensen som hölls 17-22 oktober i Kyoto, Japan.

Med hjälp av Hybrid Simulation Program utvecklat av National Institute for Fusion Science, prediktionsnoggrannheten för högenergifördelningen av alfa-partiklar i fusionsreaktorkärnplasma har förbättrats avsevärt. Detta kommer att bidra till utvecklingen av ett mycket tillförlitligt driftscenario och design av fusionsreaktorer, och kan påskynda uppnåendet av en fusionsreaktor. Dessutom, arbetet bidrar till förståelsen av interaktioner mellan högenergipartiklar och svängningar. Medan oscillationerna av plasma orsakar förlust av högenergipartiklar som värmer plasma, svängningarna, genom att förse plasma med energi mottagen från högenergipartiklar, värm plasma omvänt.