Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) och General Atomics har simulerat ett mystiskt självorganiserat flöde av superhotplasma som driver fusionsreaktioner. Fynden visar att pumpa mer värme in i plasmakärnan kan driva instabilitet som skapar plasmarotation inuti den munkformade tokamaken som rymmer den hetladdade gasen. Denna rotation kan användas för att förbättra stabiliteten och prestandan hos fusionsanordningar.

Resultaten, rapporterade i januari i tidningen Fysiska granskningsbrev , använda första principbaserade plasmaturbulensimuleringar av experiment som utförts på DIII-D National Fusion Facility som General Atomics driver för DOE i San Diego. Fynden kan leda till förbättrad kontroll av fusionsreaktioner i ITER, det internationella experimentet under uppbyggnad i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft. Stöd för denna forskning kommer från DOE Office of Science med simuleringar utförda vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility vid Lawrence Berkeley National Laboratory.

Hög energi strålar

För att förbättra stabiliteten och inneslutningen av plasma, en gas bestående av elektroner och joner som ofta kallas materiens fjärde tillstånd, fysiker har traditionellt injicerat högenergistrålar av neutrala atomer. Dessa energiska strålar får kärnan och yttre delen av plasma att snurra i olika hastigheter, skapa ett klippt flöde, eller rotation, som förbättrar stabiliteten och inneslutningen. Ett ihållande mysterium är hur plasma ibland genererar sitt eget skjuvade flöde, spontant.

Den nya forskningen, ledd av PPPL -fysiker Brian Grierson och Weixing Wang, visar att tillräcklig uppvärmning av plasmakärnan genererar en speciell typ av turbulens som ger ett inneboende vridmoment, eller vridkraft, som får plasma att generera sitt eget skjuvade flöde. Fynden har relevans för stora, framtida reaktorer, eftersom neutralstråleinsprutning endast kommer att skapa begränsad rotation i de enorma plasmaen inuti sådana anläggningar.

Självorganiserande plasma

Den samarbetsforskning som gjorts av forskare från PPPL och General Atomics fann att plasma kan organisera sig själva för att producera skjuvrotation när värme tillsätts på rätt sätt. Processen fungerar så här:

• Uppvärmning av kärnan i plasma ger turbulens som fluktuerar i styrka längs gasens radie.
• Fluktuationerna alstrar en "kvarvarande spänning" som fungerar som ett vridmoment som får plasmans inre och yttre delar att rotera motsatt till varandra vid olika hastigheter.
• De olika rotationshastigheterna representerar en balans mellan det turbulensproducerade vridmomentet och plasmans viskositet, som håller gasen från att snurra godtyckligt snabbt.

Forskare använde GTS -koden för att simulera fysiken för turbulent plasmatransport genom att modellera beteendet hos plasmapartiklar när de cyklade runt magnetfält. Simuleringen förutsade rotationsprofilen genom att modellera det inneboende vridmomentet för turbulensen och diffusionen av dess momentum. Den förutsagda rotationen stämde ganska bra, i form och storlek, med rotationen observerad i DIII-D-experiment.

En viktig nästa utmaning blir att extrapolera processerna för ITER. Sådan modellering kommer att kräva massiva simuleringar som kommer att skjuta gränserna för de högpresterande superdatorer som för närvarande finns tillgängliga. "Med noggranna experiment och detaljerade simuleringar av grundläggande fysik, vi börjar förstå hur plasma skapar sin egen klippta rotation, "sa Grierson." Detta är ett viktigt steg på vägen för att optimera plasmaflödet för att göra fusionsplasma mer stabila, och arbeta med hög effektivitet. "