Ett viktigt hinder för att kontrollera fusionen som driver solen och stjärnorna på jorden är läckage av energi och partiklar från plasma, den heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som driver fusionsreaktioner. Vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), fysiker har fokuserat på att validera datasimuleringar som förutspår energiförluster orsakade av turbulenta transporter under fusionsexperiment.

Forskare använde koder som utvecklats vid General Atomics (GA) i San Diego för att jämföra teoretiska förutsägelser om elektron- och jonturbulent transport med resultaten från den första kampanjen i laboratoriets kompakta-eller "lågformatförhållande"-National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX) -U). GA, som driver DIII-D National Fusion Facility för DOE, har utvecklat koder som är väl lämpade för detta ändamål.

Tokamaker med lågt bildförhållande är formade som äpplen med kärna, till skillnad från de mer vanliga konventionella tokamakerna som är formade som munkar.

Toppmoderna koder

"Vi har toppmoderna koder baserade på sofistikerad teori för att förutsäga transporter, "sa fysikern Walter Guttenfelder, huvudförfattare till a Kärnfusion papper som rapporterar resultaten från ett team av forskare. "Vi måste nu validera dessa koder under ett brett spektrum av förhållanden för att vara säkra på att vi kan använda förutsägelserna för att optimera nuvarande och framtida experiment."

Analys av transporten som observerades i NSTX-U-experiment visade att en stor faktor bakom förlusterna var turbulens som orsakade att transport av elektroner var "avvikande, "vilket betyder att de sprids snabbt, liknande det sätt som mjölk blandas med kaffe när det rörs om med en sked. GA -koderna förutsäger att orsaken till dessa förluster är en komplex blandning av tre olika typer av turbulens.

De observerade fynden öppnade ett nytt kapitel i utvecklingen av förutsägelser om transport i tokamaks med låg bildförhållande-en typ av fusionsanläggning som kan fungera som modell för nästa generations fusionsreaktorer som kombinerar ljuselement i form av plasma för att producera energi . Forskare runt om i världen försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

Forskare på PPPL syftar nu till att identifiera mekanismerna bakom den onormala elektrontransporten i en kompakt tokamak. Simuleringar förutsäger att sådan energiförlust härrör från närvaron av tre olika typer av komplex turbulens - två typer med relativt långa våglängder och en tredje med våglängder en bråkdel av storleken på de två större.

Påverkan av en av de två långvågstyperna, som vanligtvis finns i kärnan i tokamaks med låg bildförhållande såväl som i plasmakanten i konventionella tokamaks, måste beaktas fullt ut när man förutsäger transporter med låg bildformat.

Utmaning att simulera

Dock, den kombinerade effekten av alla tre typer av turbulens är en utmaning att simulera eftersom forskare normalt studerar de olika våglängderna separat. Fysiker vid Massachusetts Institute of Technology (MIT) har nyligen utfört simuleringar i flera skalor och deras arbete belyser den betydande superdatorstiden som sådana simuleringar kräver.

Forskare måste nu testa ytterligare simuleringar för att uppnå en mer fullständig överensstämmelse mellan förutsägelser av transport och experiment på plasma i tokamaker med lågt format. Inkluderade i dessa jämförelser kommer att vara mätningar av turbulens som tagits av University of Wisconsin-Madison coauthors of the Kärnfusion papper som bättre begränsar förutsägelser. Förbättrat avtal kommer att ge försäkran om energiförlustprognoser för nuvarande och framtida anläggningar.