Turbulens, den våldsamma oregerliga störningen av plasma, kan förhindra att plasma blir tillräckligt varm för att underblåsa fusionsreaktioner. Länge en förbryllande oro för forskare har varit påverkan på turbulensen av atomer som återvunnits från väggarna på tokamaks som begränsar plasman. Dessa atomer är neutrala, vilket betyder att de inte har någon laddning och därför är opåverkade av tokamakens magnetfält eller plasmaturbulens, till skillnad från elektroner och joner – eller atomkärnor – i plasman. Än, experiment har föreslagit att de neutrala atomerna avsevärt kan förstärka kantplasmaturbulensen, därav det teoretiska intresset för deras effekter.
I det första grundläggande fysikförsöket att studera atomernas inverkan, fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har modellerat hur de återvunna neutrala, som uppstår när het plasma träffar en tokamaks väggar, öka turbulensen som drivs av vad som kallas "jontemperaturgradienten" (ITG). Denna gradient är närvarande vid kanten av ett fusionsplasma i tokamaks och representerar övergången från plasmans varma kärna till den kallare gränsen intill de omgivande materialytorna.
Datorkod i extrem skala
Forskare använde den extremskaliga XGC1 kinetiska koden för att uppnå simuleringen, som representerade det första steget i att utforska de övergripande förhållanden som skapas av återvunna neutrala ämnen. "Simulering av plasmaturbulens i kantområdet är ganska svårt, " sa fysiker Daren Stotler. "Utvecklingen av XGC1-koden gjorde det möjligt för oss att införliva grundläggande neutral partikelfysik i kinetiska datorberäkningar, i flerskala, med mikroskopisk turbulens och makroskala bakgrundsdynamik, sade han. Det här var inte möjligt tidigare.
Resultaten, redovisas i tidskriften Kärnfusion i juli, visade att neutrala atomer förstärker ITG-turbulensen på två sätt:
Jämförelse med experiment
Går framåt, forskare planerar att jämföra resultaten av sin modell med experimentella observationer, en uppgift som kommer att kräva mer kompletta simuleringar som inkluderar andra turbulenslägen. Fynden kan leda till förbättrad förståelse för övergången av plasma från låg inneslutning till hög inneslutning, eller H-mode—läget i vilket framtida tokamak förväntas fungera. Forskare överväger generellt lägre återvinning, och därmed färre neutrala, som gynnar H-lägesdrift. Detta arbete kan också leda till en bättre förståelse av plasmaprestanda i ITER, den internationella fusionsanläggningen under uppbyggnad i Frankrike, där den neutrala återvinningen kan skilja sig från den som observeras i befintliga tokamaks.
