Precis som det finns vågor i havet kan vågor också förekomma i en elektriskt laddad gas som kallas plasma, som består av elektroner och joner. I havet surfar människor genom att åka på sina brädor i nästan samma hastighet som vågorna. Detta matchande tillstånd, som kallas resonans, tillåter vågen att effektivt pressa surfaren genom att utbyta energi.

I plasma kan surfarna vara mycket snabba joner, vilket kan uppstå i fusionsanordningar till följd av fusionsreaktioner eller andra processer som används för att värma plasman. Dessa snabba joner gör ofta motsatsen till surfare i havet – de ger energi till vågorna, vilket får dem att växa i storlek. Medan de resonanta partiklarna utbyter energi med vågorna, stöts de också av andra partiklar i plasmat genom slumpmässiga kollisioner.

Typen av dessa kollisioner, och hur ofta de inträffar, avgör hur stora vågorna blir och hur mycket partiklarna kommer att skvalpa runt. Om vågorna blir för stora eller för många kan de sparka ut surfpartiklarna ur enheten, vilket utgör en potentiell fara för väggarna och även minska mängden fusionsenergi som produceras.

Plasman i fusionsreaktorer måste ständigt värmas upp för att upprätthålla de temperaturer som krävs för att producera energi. Men de snabba jonerna som värmer plasman kan också resonera med vågor i plasman. Detta kan få dessa vågor att växa och potentiellt sparka ut de snabba jonerna ur enheten.

Forskare behöver förstå resonansinteraktioner mellan snabba joner och plasmavågor för att förutsäga och mildra eventuella negativa effekter. En studie, nu publicerad i Physical Review Letters , kombinerade matematiska beräkningar med datorsimuleringar för att avslöja hur olika typer av kollisioner tävlar om hur energi överförs mellan resonanspartiklarna och plasmavågorna.

Forskare använder denna nya förståelse för att formulera modeller för hur man håller plasma tillräckligt varmt för att upprätthålla fusionsreaktioner. Problemet med resonansvåg-partikelplasma är också relevant för vissa gravitationsinteraktioner i galaxer. Detta innebär att metoderna i detta projekt kan tillämpas på astrofysisk forskning, inklusive arbete med mörk materia.

I fusionsexperiment håller snabba joner plasman tillräckligt varm för att smälta samman genom att ge sin energi till bakgrundsplasman genom kollisioner med elektroner. Två distinkta typer av kollisioner förekommer:diffusiv spridning och konvektiv motstånd. Diffusiva kollisioner är samma typ som leder till att biljardbollar sprids på ett biljardbord.

Samtidigt är dragkollisioner ansvariga för kraften du känner på din hand när du sticker ut den genom fönstret på en bil i rörelse. Beroende på hastigheten hos de snabba jonerna och plasmans temperatur, tävlar varje typ av kollision om att utöva ett större inflytande på de snabba jonernas beteende. Specifikt, högre snabb jonhastighet gör motståndet viktigare, medan högre plasmatemperatur gynnar diffusion.

Samtidigt som de snabba jonerna värmer upp bakgrundsplasman genom kollisioner, kan de också interagera resonant med plasmavågor som verkar för att tappa deras energi, vilket potentiellt kyler plasmat. Utan några kollisioner uppstår en resonans mellan de snabba jonerna och vågorna endast när partikelhastigheten exakt matchar vågens hastighet.

Forskare har länge känt till att diffusiva kollisioner verkar för att "smeta ut" resonansen, vilket gör att partiklar effektivt kan utbyta energi med vågen även om deras hastighet är lite snabbare eller långsammare än vad vågen rör sig. Den nya upptäckten från denna forskning är att när drag förekommer, ändrar denna typ av kollision hastigheten med vilken resonansen inträffar, vilket innebär att energi faktiskt utbyts mest effektivt när det finns en liten skillnad mellan hastigheten för den snabba jonen och plasman vågor.

I den här studien karakteriserade forskare styrkan i våg-partikelinteraktionen med ett matematiskt objekt som kallas resonansfunktionen, vilket beror på skillnaden mellan våg- och partikelhastigheten. När dragkollisionerna inträffar mycket oftare än de diffusa, händer något ännu mer bisarrt – det finns helt nya hastigheter med vilka effektiv energiöverföring blir möjlig.

Detta fenomen skapar effektivt nya resonanser som inte existerade alls utan drag, representerade av nya toppar som uppträder i resonansfunktionen och utökar resonansinteraktionens intervall. Resonansfunktionen, som är helt teoretiskt härledd, bestämmer hur stora vågorna kommer att bli av att matas på den fria energin från de resonanta snabba jonerna, och även hur dessa partiklar kommer att sparkas runt av vågen.

Icke-linjära datorsimuleringar fann utmärkt överensstämmelse med de teoretiska förutsägelserna, bekräftar giltigheten av den härledda resonansfunktionen för alla kombinationer av de två typerna av kollisioner, och främjar vår grundläggande förståelse av hur kollisioner påverkar resonansvåg-partikelinteraktioner i plasma. Med den grundläggande teorin verifierad kan den nu med säkerhet tillämpas för att förbättra koderna som används för att simulera hur snabbt joner beter sig i fusionsenheter, ett avgörande steg på vägen mot att utveckla kommersiella fusionskraftverk.

Mer information: V. N. Duarte et al, Shifting and Splitting of Resonance Lines due to Dynamical Friction in Plasmas, Physical Review Letters (2023). DOI:10.1103/PhysRevLett.130.105101

Journalinformation: Fysiska granskningsbrev

Tillhandahålls av US Department of Energy