Turbulensmodellen som kallas Gyrokinetic Electromagnetic Numerical Experiment (GENE), utvecklad vid Max Planck Institute for Plasma Physics (IPP) på Garching, Tyskland, har visat sig vara mycket användbar för den teoretiska beskrivningen av turbulens i plasman av fusionsanordningar av tokamak-typ. Utökad för den mer komplexa geometrin hos enheter av typen stellarator, datasimuleringar med GENE indikerar nu en ny metod för att minska plasmaturbulens i stellaratorplasma. Detta kan avsevärt öka effektiviteten i ett framtida fusionskraftverk.

För fusionsforskarna vid IPP, som vill utveckla ett kraftverk baserat på solens modell, turbulensbildningen i dess bränsle - en väteplasma - är ett centralt forskningsämne. De små virvlarna bär ut partiklar och värme från det heta plasmamittret och reducerar därmed värmeisoleringen av det magnetiskt begränsade plasmaet. Eftersom storleken och därmed elpriset för ett framtida fusionskraftverk beror på det, ett av de viktigaste målen är att förstå, förutsäga och påverka denna "turbulenta transport".

Eftersom den exakta beräkningsbeskrivningen av plasmaturbulens skulle kräva lösning av mycket komplexa ekvationssystem och utförandet av otaliga beräkningsteg, kodutvecklingsprocessen syftar till att uppnå rimliga förenklingar. GENE -koden som utvecklats vid IPP är baserad på en uppsättning förenklade, så kallade gyrokinetiska ekvationer. De bortser från alla fenomen i plasma som inte spelar någon större roll vid turbulenta transporter. Även om beräkningsinsatsen kan minskas med många storleksordningar på detta sätt, världens snabbaste och mest kraftfulla superdatorer har alltid behövts för att vidareutveckla koden. Sålänge, GENE kan beskriva bildandet och spridningen av små lågfrekventa plasmaskador i plasmainteriören väl och reproducera och förklara experimentella resultat-men ursprungligen bara för de enkelt konstruerade, eftersom axelsymmetriska fusionssystem av tokamak -typ.

Till exempel, beräkningar med GENE visade att snabba joner kraftigt kan minska turbulenta transporter i tokamakplasma. Experiment på ASDEX Upgrade tokamak på Garching bekräftade detta resultat. De erforderliga snabbjonerna tillhandahölls genom plasmauppvärmning med användning av radiovågor med joncyklotronfrekvensen.

En tokamak -kod för stellaratorer

Hos stjärnar, denna turbulensundertryckning av snabba joner hade inte observerats experimentellt hittills. Dock, de senaste beräkningarna med GENE tyder nu på att denna effekt också bör finnas i stellaratorplasma:I Wendelstein 7-X-stellaratorn vid IPP i Greifswald, det skulle teoretiskt kunna minska turbulensen med mer än hälften. Som IPP -forskare Alessandro Di Siena, Alejandro Bañón Navarro och Frank Jenko visar i tidningen Fysiska granskningsbrev , den optimala jontemperaturen beror starkt på magnetfältets form.

Professor Frank Jenko, chef för Tokamak Theory -avdelningen vid IPP i Garching, säger, "Om detta beräknade resultat bekräftas i framtida experiment med Wendelstein 7-X i Greifswald, detta kan öppna en väg till intressanta högpresterande plasma. "

För att använda GENE för turbulensberäkning i de mer komplicerade formade plasmarna hos stellaratorer, stora kodjusteringar var nödvändiga. Utan tokamaks axiella symmetri, man måste klara av en mycket mer komplex geometri för stellaratorer.

För professor Per Helander, chef för avdelningen Stellarator Theory vid IPP i Greifswald, Stellaratorsimuleringarna som utförs med GENE är "mycket spännande fysik." Han hoppas att resultaten kan verifieras i Wendelstein 7-X-stjärnan vid Greifswald. "Om plasmavärdena i Wendelstein 7-X är lämpliga för sådana experiment kan undersökas när, under den kommande experimentperioden, radiovågsvärmesystemet kommer att tas i drift utöver den nuvarande mikrovågsugnen och partikeluppvärmning, "säger professor Robert Wolf, vars avdelning ansvarar för plasmavärme.

GENE blir GENE-3-D

Enligt Frank Jenko, det var ytterligare ett "enormt steg" för att göra GENE inte bara ungefär, men helt passande för komplexet, tredimensionell form av stellaratorer. Efter nästan fem års utvecklingsarbete, koden GENE-3-D, presenteras nu i Journal of Computational Physics av Maurice Maurer och medförfattare, ger en "snabb och ändå realistisk turbulensberäkning även för stellaratorer, "säger Frank Jenko. I motsats till andra stellarator -turbulenskoder, GENE-3-D beskriver hela dynamiken i systemet, dvs den turbulenta rörelsen hos jonerna och även av elektronerna över hela plasmaets inre volym, inklusive de resulterande fluktuationerna i magnetfältet.