Forskare som försöker få fusion - kraften som driver solen och stjärnorna - ner till jorden måste först göra materiens tillstånd kallat plasma superhot tillräckligt för att upprätthålla fusionsreaktioner. Det kräver uppvärmning av plasma till många gånger temperaturen i solkärnan. I ITER, den internationella fusionsanläggningen som byggs i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft, enheten kommer att värma både de fria elektronerna och atomkärnorna - eller jonerna - som utgör plasma. Frågan är, vad kommer denna värmeblandning att göra med temperaturen och densiteten hos plasman som är avgörande för fusionsproduktion?

Ny forskning tyder på att förståelsen av den kombinerade uppvärmningen visar hur vi kan förbättra produktionen av fusion i ITER och andra nästa generations fusionsanläggningar-en viktig upptäckt av fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), DIII-D National Fusion Facility som General Atomics driver för DOE, och andra samarbetspartners. "Detta visar vad som händer när elektronvärme läggs till jonvärme, "sa PPPL -fysikern Brian Grierson, som ledde testning av en datormodell som projicerade DIII-D-resultaten till ITER.

Modellen, skapad av Gary Staebler från General Atomics och rapporterade i en tidning i Plasmas fysik med Grierson som första författare, undersökte DIII-D experimentella resultat i förhållanden som efterliknade dem som förväntades i ITER. Diagnostik från University of Wisconsin-Madison och University of California, Los Angeles mätte den resulterande turbulensen, eller slumpmässiga fluktuationer och virvlar, som ägde rum i plasma.

Turbulens på flera håll

Mätningarna avslöjade turbulens med korta till långa våglängder orsakade av elektron- och jonuppvärmning, respektive. Kombinationen producerade "multiskala" turbulens som modifierade hur partiklar och värme läcker ut från plasma. Turbulens kan minska fusionsreaktionernas hastighet.

Den kombinerade elektron- och jonuppvärmningen förändrade gradienten, eller rumslig förändringshastighet i plasmatätheten. Denna upptäckt var betydelsefull eftersom fusionskraften som ITER och andra nästa generations tokamaker producerar kommer att öka när densiteten blir större. Dessutom, ökningen skedde utan att föroreningar ackumulerades i plasmakärnan och svalnade den, vilket kan stoppa fusionsreaktioner.

Forskarna använde en "reducerad fysik" -modell som kallas TGLF som förenklade de massivt parallella och kostsamma simuleringarna av multiskala turbulens som kräver miljoner timmars datortid på superdatorer. Forskarna körde denna förenklade version hundratals gånger på PPPL-datorer för att testa påverkan på modellen av osäkerheter som härrör från DIII-D-experimenten.

"TGLF -modellen utnyttjar de svaga turbulensegenskaperna hos tokamaker som ITER, "sa Staebler." Den beräknar ungefär plasmatransporten miljarder gånger snabbare än en gyrokinetisk multiskala turbulenssimulering som körs på högpresterande superdatorer. "

Effekt av elektronvärme

Modellen tittade specifikt på effekten av elektronvärme på den totala uppvärmningsmixen. Forskare producerar sådan uppvärmning genom att rikta mikrovågor mot elektronerna som roterar runt magnetfältlinjer - en process som ökar elektronernas termiska energi, överför den till jonerna genom kollisioner, och kompletterar uppvärmningen av jonerna med neutral stråleinsprutning.

Resultaten indikerade att studier av multiskala turbulens kommer att vara avgörande för att förstå hur man hanterar den multiskala effekten på värmetransport, partiklar och fart i nästa generations tokamaker, eller fusionsanordningar, Grierson noterade. "Vi måste förstå transporter under jon- och elektronuppvärmning för att säkert kunna projicera till framtida reaktorer, " han sa, "eftersom fusionskraftverk kommer att ha båda typerna av uppvärmning."