Ett viktigt hinder för fusionsforskare är att förstå turbulens, krusningarna och virvlarna som kan orsaka att den superheta plasman som driver fusionsreaktioner läcker värme och partiklar och hindrar fusion från att äga rum. Att förstå och minska turbulens kommer att underlätta utvecklingen av fusion som en säker, ren och riklig energikälla för att generera el från kraftverk runt om i världen.

Vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), Forskare har sammanställt en stor databas med detaljerade mätningar av den tvådimensionella (2-D) strukturen av kantplasmaturbulens som gjorts synlig med en diagnostisk teknik som kallas gaspuff-avbildning. De två dimensionerna, mätt inuti en fusionsenhet som kallas en tokamak, representerar den radiella och vertikala strukturen av turbulensen.

Steg mot en bättre förståelse

"Denna studie är ett stegvis steg mot en bättre förståelse av turbulens, " sade fysikern Stewart Zweben, huvudförfattare till forskningen publicerad i tidskriften Plasmas fysik . "Det kan hjälpa oss att förstå hur turbulens fungerar som huvudorsaken till läckage av plasmainneslutning."

Fusion sker naturligt i rymden, slå samman de ljusa elementen i plasma för att frigöra energin som driver solen och stjärnorna. På jorden, forskare skapar fusion i anläggningar som tokamaks, som styr den heta plasman med magnetfält. Men turbulens får ofta värme att läcka från dess magnetiska inneslutning.

PPPL-forskare har nu grävt bortom tidigare publicerade karakteriseringar av turbulens och analyserat data för att fokusera på de 2-D rumsliga korrelationerna inom turbulensen. Denna korrelation ger ledtrådar till ursprunget till det turbulenta beteendet som orsakar värme- och partikelläckage, och kommer att fungera som en ytterligare grund för att testa datorsimuleringar av turbulens mot empiriska bevis.

Studerar 20 urladdningar av plasma

Tidningen studerade 20 urladdningar av plasma som valts ut som ett representativt urval av de som skapats i PPPL:s National Spherical Torus Experiment (NSTX) före dess senaste uppgradering. I var och en av dessa utsläpp, en gaspuff upplyste turbulensen nära plasmakanten, där turbulens är av särskilt intresse. Puffarna, en källa till neutrala atomer som lyser som svar på densitetsförändringar inom en väldefinierad region, gjorde det möjligt för forskare att se fluktuationer i turbulensens täthet. En snabb kamera registrerade det resulterande ljuset med en hastighet av 400, 000 bilder per sekund över en bildramsstorlek på 64 pixlar bred och 80 pixlar hög.

Zweben och medförfattare utförde beräkningsanalys av data från kameran, bestämma korrelationerna mellan olika regioner av ramarna när de turbulenta virvlarna rörde sig genom dem. "Vi observerar mönstren för den rumsliga strukturen, " sa Zweben. "Du kan jämföra det med strukturen av moln som driver förbi. Vissa stora moln kan samlas ihop eller så kan det bli ett avbrott med bara klar himmel."

Detaljerad bild av turbulens

Korrelationerna ger en detaljerad bild av plasmaturbulensens natur. "Enkla saker om turbulens som dess storlek och tidsskala har länge varit kända, " sa PPPL fysiker Daren Stotler, medförfattare till tidningen. "Dessa simuleringar tar en djupdykning in på en annan nivå för att titta på hur turbulens i en del av plasmat varierar med avseende på turbulens i en annan del."

I den resulterande grafiken, ett blått kryss indikerar fokuspunkten för en beräkning; de röda och gula områdena runt korset är områden där turbulensen utvecklas på samma sätt som turbulensen i brännpunkten. Längre bort, forskare hittade regioner där turbulensen förändras i motsats till förändringarna i fokuspunkten. Dessa längre bort områden visas som nyanser av blått i grafiken, med det gula krysset som anger punkten med den mest negativa korrelationen.

Till exempel, om de röda och gula bilderna var ett område med högdensitetsturbulens, de blå bilderna indikerade låg densitet. "Täthetsökningen måste komma någonstans ifrån, sade Zweben. "Kanske från de blå trakterna."

Går framåt, kunskap om dessa korrelationer skulle kunna användas för att förutsäga beteendet hos turbulens i magnetiskt begränsad plasma. Framgång för ansträngningen kan fördjupa förståelsen av en grundläggande orsak till värmeförlusten från fusionsreaktioner.