För att uppnå ett fusionskraftverk är det nödvändigt att stabilt begränsa ett plasma på mer än 100 miljoner grader Celsius i ett magnetfält och behålla det under lång tid. En forskargrupp ledd av biträdande professor Naoki Kenmochi, professor Katsumi Ida och docent Tokihiko Tokuzawa vid National Institute for Fusion Science (NIFS), National Institutes of Natural Sciences (NINS), Japan, med hjälp av mätinstrument som utvecklats oberoende och i samarbete av professor Daniel J. den Hartog vid University of Wisconsin, USA, upptäckte för första gången att turbulens rör sig snabbare än värme när värme strömmar ut i plasma i Large Helical Device (LHD). En egenskap hos denna turbulens gör det möjligt att förutsäga förändringar i plasmatemperatur, och det förväntas att observation av turbulens kommer att leda till utvecklingen av en metod för realtidskontroll av plasmatemperaturen i framtiden.

I högtemperaturplasma som begränsas av magnetfältet genereras "turbulens", som är ett flöde med virvlar av olika storlekar. Denna turbulens gör att plasman störs, och värmen från den instängda plasman strömmar utåt, vilket resulterar i en sänkning av plasmatemperaturen. För att lösa detta problem är det nödvändigt att förstå egenskaperna hos värme och turbulens i plasma. Turbulensen i plasma är dock så komplex att vi ännu inte har uppnått en fullständig förståelse av den. Särskilt hur den genererade turbulensen rör sig i plasmat är inte väl förstått, eftersom det kräver instrument som kan mäta tidsutvecklingen av minutturbulens med hög känslighet och extremt hög rumslig upplösning.

En "barriär" kan bildas i plasman, som verkar för att blockera transporten av värme från centrum och utåt. Barriären gör en stark tryckgradient i plasman och genererar turbulens. Adjunkt Kenmochi och hans forskargrupp har utvecklat en metod för att bryta denna barriär genom att ta fram en magnetfältstruktur. Denna metod gör att vi kan fokusera på värmen och turbulensen som flödar kraftigt när barriärerna bryts, och att studera deras förhållande i detalj. Sedan, med hjälp av elektromagnetiska vågor av olika våglängder, mätte vi den förändrade temperaturen och värmeflödet av elektroner och millimeterstor fin turbulens med världens högsta noggrannhetsnivå. Tidigare var det känt att värme och turbulens rörde sig nästan samtidigt med en hastighet av 5 000 kilometer i timmen, ungefär samma hastighet som ett flygplan, men detta experiment ledde till att världens första upptäckt av turbulens rörde sig före värmen med en hastighet av 40 000 kilometer per timme. Hastigheten för denna turbulens är nära den för en raket.

Biträdande professor Naoki Kenmochi säger att "denna forskning har dramatiskt förbättrat vår förståelse av turbulens i fusionsplasma. Den nya egenskapen hos turbulens, att den rör sig mycket snabbare än värme i ett plasma, indikerar att vi kanske kan förutsäga plasmatemperaturförändringar genom att observera prediktiv turbulens. I framtiden, baserat på detta, förväntar vi oss att utveckla metoder för att kontrollera plasmatemperaturer i realtid."

Forskningen publicerades i Scientific Reports . + Utforska vidare

Det första experimentella beviset på utbredning av plasmaturbulens