I ett brinnande plasma är det viktigt att behålla inneslutningen av fusionsproducerade energiska joner för att producera energi. Dessa fusionsplasma är värd för ett brett spektrum av elektromagnetiska vågor som kan trycka ut energiska joner ur plasman.
Detta minskar uppvärmningen av plasman från fusionsreaktionsprodukter och avslutar det brinnande plasmatillståndet. Nyligen genomförda mätningar vid DIII-D National Fusion Facility ger de första direkta observationerna av energiska joner som rör sig genom rymden och energi i en tokamak.
Forskare kombinerade dessa mätningar med avancerade datormodeller av elektromagnetiska vågor och hur de interagerar med energiska joner. Resultaten ger en förbättrad förståelse för samspelet mellan plasmavågor och energiska joner i fusionsplasma.
Plasmafysik och fusionsforskning går från experimentanläggningar mot demonstrationskraftverksdesigner. För att göra detta till en framgång behöver forskare noggranna simuleringar och andra verktyg som förutsäger hur kraftverkskonstruktioner kommer att prestera. De flesta nuvarande anläggningar producerar inte brinnande plasma.
Men forskare förstår mycket av den relevanta fysiken och utvecklar simuleringar för att reproducera observerat experimentellt beteende. Den aktuella forskningen gjorde nya mätningar av det energiska jonflödet i DIII-D tokamak. Detta kommer att påskynda utvecklingen av modeller som tar hänsyn till alla relevanta våg-joninteraktionsdynamik. Denna förbättrade förståelse möjliggör också tillämpning av fas-rymdteknik.
Forskare kan använda denna process för att designa nya fusionsplasmascenarier baserade på förutspådda idealiska interaktioner mellan vågor och joner. Särskilt kan dessa interaktioner också försämra satelliter, så denna forskning kan bidra till att förbättra deras tillförlitlighet.
Forskare vid DIII-D National Fusion Facility, en avdelning för energianvändare, har använt de första mätningarna från ett nytt diagnostiskt system, Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), för att observera flödet av energiska joner i en tokamak.
En flerårig ansträngning för att konceptualisera, designa och bygga INPA har nu gett den första möjligheten någonsin att observera detta beteende. Efter att ha injicerats i tokamak av neutrala strålar, interagerar energiska joner med elektromagnetiska plasmavågor och flödar i energi och position genom tokamak. Simuleringar reproducerar det observerade beteendet och visar därigenom noggrannheten hos modeller med första principer när det gäller att beskriva den underliggande fysiken.
Förbättrad förståelse för dessa våg-partikel-interaktioner är relevant för utformningen av fusionskraftverk och förståelsen av beteendet hos plasma som observeras i yttre rymden.
INPA mäter energin hos neutrala strålinjicerade energetiska joner, som har energier som är större än bakgrundsplasmans, över tid och rumslig position från den heta plasmakärnan till den kalla plasmakanten, där jonerna kan gå förlorade.
Tillsammans med avancerade högpresterande datorsimuleringar som modellerar både spektrumet av elektromagnetiska vågor och interaktionerna med energiska joner, ger dessa experiment den mest detaljerade förståelsen av samspelet mellan plasmavågor och energiska joner i fusionsplasma.
Denna förbättrade förståelse gör det också möjligt för forskare att tillämpa fas-rymdteknik, en process där de designar nya fusionsplasmascenarier baserade på förutspådda idealiska interaktioner mellan vågor och joner. Dessa typer av interaktioner sker i yttre rymden.
Till exempel får elektromagnetiska joncyklotronvågor (EMIC) elektroner att flöda genom rymden och energin. I vissa fall har elektroner accelererats så att de orsakar funktionsfel i satelliter. Förbättrad förståelse av processer för resonansinteraktion mellan våg-partiklar via fusionsplasmaforskning bidrar till simuleringar av plasma från yttre rymden, vilket kan förbättra tillförlitligheten för framtida satellituppdrag.
Resultaten publiceras i tidskriften Nuclear Fusion .
Mer information: X.D. Du et al, Visualisering av snabbt jonfas-rymdflöde i plasma långt under, nära och långt över Alfvéns egenmodsstabilitetströskel i tokamak, Nuclear Fusion (2023). DOI:10.1088/1741-4326/acbec5
J. Gonzalez-Martin et al, Modellering av Alfvén-egenmoden inducerat snabbjonflöde mätt med en avbildande neutral partikelanalysator, Nuclear Fusion (2022). DOI:10.1088/1741-4326/ac7406
Tillhandahålls av US Department of Energy
