Forskare vid DIII-D National Fusion Facility, en DOE Office of Science användaranläggning som drivs av General Atomics, använde en "reducerad fysik" vätskemodell för plasmaturbulens för att förklara oväntade egenskaper hos densitetsprofilen inuti ett tokamak -experiment. Att modellera plasmas turbulenta beteende kan hjälpa forskare att optimera tokamaks prestanda i framtida fusionsreaktorer som ITER.
Att applicera värme i en tokamak ger många intressanta fenomen som förändringar i plasmarotation och densitet. DIII-D-forskare modellerade hur olika typer av uppvärmning, som mikrovågor som producerar elektronvärme eller neutralstrålar som producerar jonvärme, påverkar plasmatätheten, föroreningar och turbulenta transporter. De olika uppvärmningsmetoderna driver turbulens vid de långa (jon) skalorna och mycket kortare (elektron) skalor som ligger vid gränsen till turbulens datasimuleringar.
Deras fynd, rapporterade den här veckan i Plasmas fysik , visade att upphettning av elektronerna i en fusionsreaktor orsakade viktiga förändringar i densitetsgradienter inom plasma. Deras "fångade gyro-Landau-vätska" (TGLF) modell förutspådde att tillföra värme upphetsad turbulens, vid våglängder mellan jon- och elektronskalorna, och skulle producera en partikelklämma som modifierar plasmans totala densitetsprofil. Dessutom, i det här pappret, forskare använde sin reducerade transportmodell för att förutsäga föroreningstransport i en fusionsreaktor.
Brian Grierson, en fysiker från Princeton Plasma Physics Laboratory som arbetar som forskare vid DIII-D National Fusion Facility i San Diego, sa att "när du värmer plasma, du ändrar inte bara temperaturen, du ändrar vilken typ av turbulens som finns, och det har sekundära konsekvenser för transporten av plasmatäthet och plasmarotationen. "
Rent generellt, värme som strömmar från det heta plasmacentret till den kalla plasmakanten driver turbulent diffusion, som bör verka för att platta densitetsgradienten. "Men det fascinerande är att ibland applicera värme i en fusionsreaktor får den att producera en densitetsgradient snarare än att platta ut den, "Sade Grierson. Denna toppdensitet är högst signifikant eftersom fusionsreaktionen mellan deuterium och tritiumpartiklar i en tokamak ökar när plasmans densitet ökar. Med andra ord, han sa, "fusionseffekten är proportionell mot [plasma] densiteten i kvadrat."
Grierson krediterar Gary Staebler, en medförfattare på tidningen, som General Atomics -teoretikern bakom TGLF, modellen som testats i detta dokument. TGLF är en reducerad fysikmodell av den "fulla fysiken" gyrokinetiska koden GYRO för turbulent transport, som måste köras på superdatorer. Med denna mer kostnadseffektiva TGLF-modell, forskare kunde exekvera koden med olika experimentmätningar och inmatningar hundratals gånger för att kvantifiera hur osäkerheter i experimentdata påverkar den teoretiska tolkningen.
Går framåt, Grierson hoppas att dessa fynd hjälper till att informera forskning för att främja fusionsgemenskapens förståelse för extremt småskaliga fluktuationer och föroreningstransporter inom en plasma.
"Vi måste förstå transporter under jon- och elektronuppvärmning för att säkert kunna projicera till framtida reaktorer, eftersom fusionskraftreaktorer kommer att ha både jon- och elektronuppvärmning, "Grierson sa." Detta resultat identifierar vad vi behöver undersöka med de beräkningsmässigt utmanande fullständiga fysiksimuleringarna för att verifiera partiklarnas interaktion, fart och föroreningstransport med uppvärmning. "
