Fysikern Min-Gu Yoo med bilder från sitt papper i bakgrunden. Kredit:Elle Starkman/PPPL Office of Communications; collage av Kiran Sudarsanan
Fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har föreslagit källan till den plötsliga och förbryllande värmekollapsen som föregår störningar som kan skada munkformade tokamakfusionsanläggningar. Att klara av källan kan övervinna en av de mest kritiska utmaningarna som framtida fusionsanläggningar kommer att möta och föra närmare verkligheten produktionen på jorden av fusionsenergin som driver solen och stjärnorna.
Forskare spårade kollapsen till 3D-störningen av de starka magnetfälten som flaskar upp den heta, laddade plasmagasen som driver reaktionerna. "Vi föreslog ett nytt sätt att förstå de [oordnade] fältlinjerna, som vanligtvis ignorerades eller var dåligt modellerade i de tidigare studierna", säger Min-Gu Yoo, en postdoktor vid PPPL och huvudförfattare till en Physics av plasma tidning valt som redaktörs val tillsammans med en figur placerad på omslaget till julinumret. Yoo har sedan dess blivit stabsforskare vid General Atomics i San Diego.
De starka magnetfälten ersätter i fusionsanläggningar den enorma gravitationen som håller fusionsreaktioner på plats i himlakroppar. Men när de störs av plasmainstabilitet i laboratorieexperiment tillåter fältlinjerna den superheta plasmavärmen att snabbt undkomma instängdhet. Sådan miljongraders värme krossar plasmapartiklar för att frigöra fusionsenergi och kan träffa och skada fusionsanläggningens väggar när de släpps ut från inneslutningen.
"I det stora störningsfallet blir fältlinjer totalt [oordnade] som spagetti och ansluter snabbt till väggen med väldigt olika längder", säger forskningsfysikern Weixing Wang, Yoos PPPL-rådgivare och medförfattare till tidningen. "Det ger enorm plasmavärmeenergi mot väggen."
Fusion kombinerar lätta element i form av plasma - det heta, laddade tillståndet av materia som består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Plasma innehåller fria elektroner och atomkärnor, eller joner, och utgör 99 % av det synliga universum. Forskare runt om i världen försöker fånga och kontrollera fusionsprocessen på jorden för att skapa en ren, kolfri och praktiskt taget outtömlig kraftkälla för att generera elektricitet.
Kullar och dalar
Vad som inte tidigare varit känt var 3D-formen, eller topologin, av de oordningade fältlinjerna orsakade av turbulent instabilitet. Topologin bildar små kullar och dalar, förklarar Yoo, och lämnar vissa partiklar fångade i dalar och oförmögna att undkomma instängdhet medan andra rullar nerför kullarna och slår mot anläggningens väggar
"Förekomsten av dessa kullar är ansvarig för den snabba temperaturkollapsen, den så kallade termiska släckningen, eftersom de tillåter fler partiklar att fly till tokamakväggen," sa Yoo. "Det vi visade i uppsatsen är hur man ritar en bra karta för att förstå topologin för fältlinjerna. Utan magnetiska kullar skulle de flesta elektroner ha fångats och inte kunnat producera den termiska släckning som observerats i experiment."
PPPL-forskare simulerade den termiska släckningstopologin som en komplex 3D-struktur snarare än en enkel 1D-struktur som den hade avbildats. Därmed undvek forskarna vanliga överförenklingar som kunde vilseleda fysiken.
Det som gjorde topologin svår att förstå var den komplexa interaktionen mellan de elektriska och magnetiska fälten inuti anläggningen, sa Yoo. PPPL-forskare avslöjade interaktionen med hjälp av laboratoriets GTS-kod, som simulerar effekten av turbulent instabilitet på partikelrörelser. Koden avslöjade att det elektriska fältet som produceras i anläggningar verkar för att sparka partiklar bland spagettiliknande stokastiska magnetfältslinjer och sedan underlättar rörelsen av fångade partiklar längs fältlinjerna som ger upphov till den termiska släckningen.
"Denna forskning ger nya fysiska insikter om hur plasman förlorar sin energi mot väggen när det finns öppna magnetfältslinjer," sa Yoo. "Den nya förståelsen skulle vara till hjälp för att hitta innovativa sätt att mildra eller undvika termiska släckar och plasmastörningar i framtiden." + Utforska vidare
