Vid fusionskraftgenerering är det viktigt att högenergipartiklarna som genereras av en fusionsreaktion i het plasma värmer upp den för att upprätthålla ytterligare fusionsreaktioner. Nyckeln till denna självuppvärmning av plasman är om den kan värmas upp av vågor som skapas av högenergipartiklarna.

En forskargrupp ledd av professor Katsumi Ida, assisterande professorerna Tatsuya Kobayashi och Mikiro Yoshinuma från National Institute for Fusion Science och professor Yuto Kato från Tohoku University, har mätt tidsvariationen av plasmahastighetsprofilen i Large Helical Device (LHD) kl. National Institute for Fusion Science och fann att elektromagnetiska vågor som produceras av högenergipartiklar transporterar värme genom en process som kallas Landau-dämpning. Detta är den första observationen i världen av denna process. En artikel som sammanfattar resultaten av denna forskning publicerades i Communications Physics den 28 september.

Hittills har det inte funnits någon metod för att direkt mäta plasmauppvärmningsprocessen som orsakas av elektromagnetiska vågor som genereras inuti plasman, så det har inte varit känt om denna process faktiskt existerar. För att fånga det har professor Katsumi Ida och hans forskargrupp arbetat med att utveckla ett nytt mätsystem.

För att direkt mäta uppvärmningsprocessen är det nödvändigt att bestämma tidsvariationen av hastighetsfördelningen, vilket indikerar vilka hastighetspartiklar som finns och i vilken proportion. För detta ändamål injicerade de höghastighetsatomer i plasman och använde en metod för att mäta hastighetsfördelningen av plasmapartiklar med hög hastighet från våglängdsfördelningen av ljus som emitterats från plasman (höghastighetsladdningsutbytesspektroskopi). Professor Ida och hans kollegor antog utmaningen med ultrahöghastighetsmätning, som hade ansetts vara svår, och lyckades mäta tidsvariationen av plasmapartiklarnas hastighetsfördelning vid en ultrahöghastighet på 10 kHz (10 000 gånger per sekund).

I LHD genomförs experiment för att undersöka självuppvärmning av plasma, med hjälp av en höghastighetspartikelstråle, som simulerar högenergipartiklar från kärnfusionsreaktioner. I detta experiment för att simulera självuppvärmning användes ett nyutvecklat mätsystem för att i detalj mäta tidsvariationen av plasmapartiklars hastighetsfördelning. Som ett resultat upptäcktes det för första gången i världen att plasman värms upp på grund av att höghastighetspartikelstrålen saktar ner och förvrängningen av plasmapartiklarnas hastighetsprofil orsakad av genereringen av elektromagnetiska vågor inuti plasman.

Orsaken till denna förvrängning av hastighetsprofilen visade sig vara att energin från höghastighetspartikelstrålen överfördes till den elektromagnetiska vågen genom en process som kallas Landau-dämpning, och energin från den elektromagnetiska vågen överfördes till plasmapartiklarna. Med andra ord observerade de att de elektromagnetiska vågorna förde energin från höghastighetspartikelstrålen till plasman och värmde upp den.

Professor Ida sa:"För självuppvärmning av plasma vid fusionskraftgenerering räcker det inte med högenergipartiklar att kollidera med plasmapartiklar och värma dem, så uppvärmning med andra processer är också nödvändig. Detta resultat, som visar att elektromagnetiska vågor som genereras inuti plasman kan värma upp det, ger viktig kunskap för fusionsforskning. Dessutom kommer det att bidra till studiet av jordens magnetosfär, där partikelacceleration sker genom en liknande process, och kommer att främja framtida tvärvetenskaplig forskning." + Utforska vidare

Simuleringar visar jonuppvärmning genom plasmaoscillationer för fusionsenergi