Ett forskargrupp av fusionsforskare lyckades bevisa att joner kan värmas upp av plasmasvängningar som drivs av partiklar med hög energi. Detta har bekräftats genom att utföra en storskalig simulering med ett nyutvecklat hybrid-simuleringsprogram som länkar samman beräkningar för plasmasvängningar, högenergipartiklar och joner. Denna forskning kommer att påskynda studier av plasmauppvärmning för att förverkliga fusionsenergi.

Fusionsreaktionen mellan deuteriumjon och tritiumjon i en högtemperaturplasma kommer att användas i fusionsreaktorer i framtiden. Högenergi-alfa-partiklarna som genereras av fusionsreaktionen ger sin energi till plasma, och denna plasmauppvärmning upprätthåller det högtemperaturförhållande som krävs för fusionsreaktionen. Dock, vi har problemet att uppvärmningen av bränslejoner är svag eftersom högenergipartiklarna ger det mesta av sin energi till elektroner genom kollisioner med elektronerna. För att öka jonuppvärmningshastigheten, det föreslås att joner kan värmas upp av plasmasvängningarna som drivs av högenergipartiklarna. Dock, denna jonvärmningsmekanism har ännu inte bekräftats.

Forskargruppen för biträdande professor Hao Wang och professor Yasushi Todo vid National Institutes of Natural Sciences (NINS) National Institute for Fusion Science (NIFS) forskade kring jonvärmningen genom plasmasvängningar med hjälp av datasimuleringar.

Professor Todo har tidigare utvecklat ett datorprogram som samtidigt kan simulera tillståndet i plasma som helhet, som behandlas som vätska, och rörelse av högenergipartiklar i en plasma. Det här programmet, eftersom den länkar och beräknar vätskan och partiklarna, kallas hybrid-simuleringsprogrammet. Det gör det möjligt för oss att studera interaktionen mellan plasmasvängningarna och högenergipartiklarna. Programmet är mycket utvärderat bland fusionsforskare, och flera simuleringsstudier som använder programmet pågår nu.

Dock, för att studera jonuppvärmning genom plasmasvängningar som drivs av partiklar med hög energi, det är nödvändigt att utöka hybrid-simuleringsprogrammet för att simulera jonrörelser som påverkas av plasmasvängningarna. Forskargruppen har lyckats utveckla ett nytt hybrid-simuleringsprogram genom att beräkna joner i en plasma som partiklar och genom att länka de tre beräkningarna för plasmasvängningarna, de höga energipartiklarna, och jonerna. Med det nya hybrid-simuleringsprogrammet, de utförde en storskalig simulering på superdatorn angående plasma som genererades i Large Helical Device (LHD). (På LHD, vi använder vätepartiklarna med hög energi som finns inuti plasman för att studera plasmasvängningar som drivs av partiklar med hög energi.) Den nya hybridsimuleringen visar tydligt att joner får energi från plasmasvängningar som exciteras av högenergipartiklarna. Detta indikerar att jonuppvärmningshastigheten i en självuppvärmande plasma kan ökas genom att använda plasmasvängningarna.

Således, forskargruppen har bevisat jonuppvärmningen genom plasmasvängningar för första gången i världen. På grundval av resultaten av denna studie, forskningen om självupphettande plasma för att realisera fusionsenergi kommer att accelereras.

Detta forskningsresultat publicerades som Wang, et al. "Simulering av energiska partikeldrivna geodesiska akustiska lägen och energikanaliseringen i de stora heliska enhetens plasma" i Kärnfusion i augusti 2019.