Ett nyckelkrav för framtida anläggningar som syftar till att fånga upp och kontrollera fusionsenergin som driver solen och stjärnorna på jorden är exakta förutsägelser av plasmatrycket - det heta, laddad gas som driver fusionsreaktioner inuti munkformade tokamaker som rymmer reaktionerna. Centralt för dessa förutsägelser är att förutsäga det tryck som avskrapningsskiktet, den tunna remsan av gas vid kanten av plasma, utövar på avledaren - enheten som tar ut spillvärme från fusionsreaktioner.

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har utvecklat nya insikter om fysiken som styr tryckbalansen i avskrapningsskiktet. Denna balans måste säkerställa att plasmatrycket i tokamaken är tillräckligt högt för att producera en i stort sett självuppvärmande fusionsreaktion. Balansen måste också begränsa den potentiellt skadliga effekten av värme och plasmapartiklar som träffar avledaren och andra plasma-vända komponenter i tokamaken.

"Tidigare enkla antaganden om tryckbalansen i avskrapningsskiktet är ofullständiga, "sa PPPL -fysikern Michael Churchill, huvudförfattare till a Kärnfusion papper som beskriver de nya fynden. "Koderna som simulerar avskrapningsskiktet har ofta kastat bort viktiga aspekter av fysiken, och fältet börjar känna igen detta. "

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, är sammansmältning av ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

Nyckelfaktorer

Churchill och PPPL-kollegor bestämde nyckelfaktorerna bakom tryckbalansen genom att köra den toppmoderna XGCa-datorkoden på Cori och Edison superdatorer vid National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), en DOE Office of Science User Facility. Koden behandlar plasma på en detaljerad kinetisk - eller partikelrörelse - nivå snarare än som en vätska.

Bland de viktigaste egenskaperna som hittades var effekten av jonens stora drift, en inverkan som tidigare koder till stor del har ignorerat. Sådana driv "kan spela en integrerad roll" författarna skrev, och "är mycket viktiga att ta hänsyn till."

De kinetiska partikeleffekterna på grund av att joner har olika temperaturer beroende på deras riktning har också setts vara viktiga i momentum eller tryckbalans. Eftersom temperaturen på joner är svår att mäta i avskrapningsskiktet, tidningen säger, "ökade diagnostiska ansträngningar bör göras för att noggrant mäta jontemperaturen och flödena och på så sätt möjliggöra en bättre förståelse för jons roll i SOL."

De nya fynden kan förbättra förståelsen för avskrapningstrycket vid avledaren, Churchill sa, och kan leda till korrekta prognoser för det internationella ITER-experimentet under uppbyggnad i Frankrike och andra nästa generations tokamaker.