Forskare vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har ökat förståelsen för en barriär som kan förhindra munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaks från att fungera med hög effektivitet genom att orsaka att livsviktig värme går förlorad från dem.

Leds av PPPL-fysikern Roscoe White, forskargruppen använde datorer för att simulera en typ av plasmarörelse som kan stöta mycket energiska partiklar från kärnan till kanten, ett fenomen som kan uppstå i ITER, den multinationella tokamak som byggs i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusion som energikälla.

"För att alla fusionsenheter ska fungera, du måste se till att de mycket energiska partiklarna i den är mycket väl instängda i plasmakärnan, " sa PPPL fysiker Vinícius Duarte, en medlem av forskargruppen som rapporterade resultaten i Plasmas fysik . "Om dessa partiklar driver till kanten av plasman, du kan inte upprätthålla den steady-state brinnande plasma som behövs för att göra fusionsdriven elektricitet till verklighet."

Duarte hänvisar till ett fenomen som kallas "kvitter" som uppstår när frekvensen av plasmavågorna som interagerar med högenergiska partiklar ändras plötsligt, i slutändan orsakar energi att strömma ut från plasmakärnan och producera snabbt föränderliga toner. De nya rönen, som belyser aspekter av hur kvittrande bildas i en tokamak, kan hjälpa forskare att ta reda på hur man motverkar kvittrandet och håller sig i den livsviktiga värmen. Att förhindra de plötsliga frekvensförändringarna kan också skydda tokamak-väggarna från plötsligt utsläpp av koncentrerade och skadliga energiskurar.

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma – det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – och genererar enorma mängder energi i stjärnorna. Forskare strävar efter att replikera fusion i enheter på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

Forskarna använde datorsimuleringar som visade mycket detaljerade vyer av rörelsen av plasmapartikelkonglomerationer för att avslöja några av de mekanismer som är ansvariga för kvittrande, ger hopp om att forskare kan hitta sätt att förbättra dess effekter. Forskare använde PPPL-koden ORBIT för att beräkna hur plasmapartiklarnas position och hastighet förändras över tiden i tre dimensioner. Simuleringarna visade att kvittrande börjar när snabbt rörliga partiklar i kärnan interagerar med vågor som böljar genom plasman och spontant bildar klumpar som migrerar till plasmakanten. Fynden bekräftar tidigare resultat baserade på förenklade tokamak-konfigurationer; de avslöjar också en rikare och mer komplex dynamik som inte setts tidigare.

Denna interaktion med plasmapartiklar gör att frekvensen av de så kallade plasma Alfvén-vågorna stiger och sjunker samtidigt, slungar klumparna ut mot plasmakanten och ibland in i väggen. "Verktygen som utvecklats i denna forskning har möjliggjort en inblick i det komplicerade, självorganiserad dynamik i kvittret i en tokamak, sa Duarte.

Forskarna var tvungna att skapa nya virtuella verktyg för att observera rörelsen av de simulerade vågorna med den nödvändiga detaljen. "Det svåraste var att uppfinna diagnostiken som rent skulle visa vad som pågick, sade White. I en viss mening, det är som att bygga ett mikroskop som låter dig se det du behöver se."

De nya rönen fortsätter en långvarig ansträngning av medlemmar av PPPL-teoriavdelningen som fokuserar på att förstå kvittrande, speciellt inom PPPL:s National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U). "Om du förstår det, säger White, "du kan hitta sätt att driva fusionsanläggningar utan det."