En stor vägspärr för att producera säker, ren och riklig fusionsenergi på jorden är bristen på detaljerad förståelse för hur det heta, laddad plasmagas som ger bränsle till fusionsreaktioner beter sig vid kanten av fusionsanläggningar som kallas "tokamaks". Nyligen genomförda genombrott av forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har förbättrat förståelsen av beteendet hos den mycket komplexa plasmakanten i munkformade tokamaks på vägen till att fånga fusionsenergin som driver solen och stjärnor. Att förstå denna kantregion kommer att vara särskilt viktigt för att driva ITER, det internationella fusionsexperimentet som är under uppbyggnad i Frankrike för att demonstrera det praktiska med fusionsenergi.

Första fynd i sitt slag

Bland de första fynden har funnits upptäckten att redovisning av de turbulenta fluktuationerna i magnetfälten som begränsar plasman som driver fusionsreaktioner avsevärt kan minska det turbulenta partikelflödet nära plasmakanten. Datorsimuleringar visar att nettopartikelflödet kan gå ner med så mycket som 30 procent, trots det faktum att den genomsnittliga storleken på fluktuationer i turbulent partikeldensitet ökar med 60 procent – ​​vilket indikerar att även om de turbulenta täthetsfluktuationerna är mer virulenta, de flyttar partiklar ut ur enheten mindre effektivt.

Forskare har utvecklat en specialiserad kod som heter "Gkeyll" - uttalas precis som "Jekyll" i Robert Louis Stevensons "The Strange Case of Dr. Jekyll and Mr. Hyde" - som gör dessa simuleringar möjliga. Den matematiska koden, en form av modellering som kallas "gyrokinetik, " simulerar plasmapartiklars omloppsbana runt magnetfältslinjerna vid kanten av en fusionsplasma.

"Vår senaste tidning sammanfattar Gkeyll -gruppens ansträngningar inom området gyrokinetisk simulering, " sa PPPL-fysikern Ammar Hakim, huvudförfattare till en Physics of Plasmas-uppsats som ger en översikt över gruppens prestationer, baserat på ett inbjudet föredrag han höll vid American Physical Society's Division of Plasma Physics (APS-DPP) konferens i höstas. Forskningen, medförfattare av forskare från sex institutioner, anpassar en toppmodern algoritm till det gyrokinetiska systemet för att utveckla "de viktigaste numeriska genombrotten som behövs för att tillhandahålla korrekta simuleringar, " sa Hakim.

Världsomspännande ansträngning

Sådana genombrott är en del av den världsomspännande ansträngningen att förstå vetenskapen bakom produktionen av fusionsreaktioner på jorden. Fusionsreaktioner kombinerar lätta element i form av plasma - det heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor som utgör 99 procent av det synliga universum – för att generera enorma mängder energi som skulle kunna ge en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet åt mänskligheten.

Noah Mandell, en doktorand i Princeton University Program in Plasma Physics, byggt på teamets arbete med att utveckla den första gyrokinetiska koden som kan hantera magnetiska fluktuationer i det som kallas plasmaavskrapningsskiktet (SOL) vid kanten av tokamakplasma. Britterna Journal of Plasma Physics har publicerat och framhävt sin rapport som en utvald artikel.

Mandell utforskar hur klumpliknande plasmaturbulens böjer magnetfältslinjer, leder till dynamiken i "dansande fältlinjer". Han upptäcker att fältlinjerna vanligtvis rör sig smidigt men när dansen plötsligt kan ombildas till återkopplingshändelser som får dem att konvergera och våldsamt bryta isär.

Mandells fynd beskrivs bäst som "proof-of-concept" med avseende på de magnetiska fluktuationerna, han sa. "Vi vet att det finns fler fysiska effekter som måste läggas till koden för detaljerade jämförelser med experiment, men redan simuleringarna visar intressanta egenskaper nära plasmakanten, "sa han." Möjligheten att hantera böjning av magnetfältlinjerna kommer också att vara avgörande för framtida simuleringar av kantlokaliserade lägen (ELM), vilket vi skulle vilja göra bättre för att förstå de värmeutbrott de orsakar som måste kontrolleras för att förhindra tokamak-skador."

Väldigt utmanande

Det som gör denna upptäckt unik är att tidigare gyrokinetiska koder har simulerat SOL-blobbar men antagit att fältlinjerna var stela, Mandell noterade. Att utöka en gyrokinetisk kod för att beräkna rörelsen av magnetfältslinjer är beräkningsmässigt mycket utmanande, kräver speciella algoritmer för att säkerställa att två stora termer balanserar varandra med en noggrannhet som är bättre än 1 del på en miljon.

Dessutom, medan koder som modellerar turbulens i kärnan av tokamak kan inkludera magnetiska fluktuationer, sådana koder kan inte simulera SOL-regionen. "SOL kräver specialiserade koder som Gkeyll som kan hantera mycket större plasmafluktuationer och interaktioner med reaktorns väggar, sa Mandell.

Framtida steg för Gkeyll-gruppen kommer att inkludera att undersöka den exakta fysiska mekanismen som påverkar dynamiken i plasmakanten, en effekt som sannolikt är kopplad till böjfältlinjerna. "Detta arbete ger språngbrädor som jag tycker är mycket viktiga, " Sa Hakim. "Utan algoritmerna som vi gjorde, dessa fynd skulle vara mycket svåra att tillämpa på ITER och andra maskiner. "