Του John Greenwald, Princeton Plasma Physics Laboratory Communications

Προσομοίωση υπολογιστών αναταράξεων σε ένα μοντέλο του NSTX-U, μιας σφαιρικής εγκατάστασης σύντηξης tokamak στο εργαστήριο Princeton Plasma Physics του Τμήματος Ενέργειας των ΗΠΑ. Πίστωση: Eliot Feibush

Για να πραγματοποιηθούν αποτελεσματικά οι αντιδράσεις σύντηξης, οι ατομικοί πυρήνες που συντήκονται μαζί στο πλάσμα πρέπει να διατηρούνται αρκετά ζεστοί.

Αλλά η αναταραχή στο πλάσμα που ρέει σε εγκαταστάσεις που ονομάζονται tokamaks μπορεί να προκαλέσει διαρροή θερμότητας από τον πυρήνα του πλάσματος στην εξωτερική άκρη του, προκαλώντας αντιδράσεις να ξεθωριάσουν.

Οι ερευνητές στο αμερικανικό Υπουργείο Ενέργειας (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) έχουν μοντελοποιήσει για πρώτη φορά προηγουμένως ανυποψίαστες πηγές αναταραχής σε σφαιρικά tokamaks, έναν εναλλακτικό σχεδιασμό για την παραγωγή ενέργειας σύντηξης.

 Τα ευρήματα, που δημοσιεύθηκαν στο Διαδίκτυο τον Οκτώβριο στο Physics of Plasmas, μπορούν να επηρεάσουν την ανάπτυξη μελλοντικών εγκαταστάσεων σύντηξης.

Αυτό το έργο υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Επιστημών του DOE.

Οι σφαιρικές tokamaks, όπως το πρόσφατα ολοκληρωμένο National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) στο PPPL, έχουν σχήμα πυρήνων μήλων σε σύγκριση με τον σχεδιασμό μανιταριών συμβατικών tokamaks που χρησιμοποιούνται ευρύτερα. Το σχήμα cored-apple παρέχει ορισμένα ξεχωριστά χαρακτηριστικά για τη συμπεριφορά του πλάσματος στο εσωτερικό.

Η εφημερίδα, με κύριο ερευνητή τον Φυσικό Φαρμάκων του PPPL, Weixing Wang, προσδιορίζει δύο σημαντικές νέες πηγές αναταραχών με βάση δεδομένα από πειράματα στο Πείραμα National Spherical Torus πριν από την αναβάθμισή του.

 Οι ανακαλύψεις έγιναν χρησιμοποιώντας υπερσύγχρονες προσομοιώσεις υπολογιστών μεγάλης κλίμακας. Αυτές οι πηγές είναι:

• Αστάθειες που προκαλούνται από πλάσμα που ρέει γρηγορότερα στο κέντρο της εγκατάστασης σύντηξης παρά προς την άκρη όταν περιστρέφεται έντονα σε κατάσταση L-mode – ή χαμηλού περιορισμού -.

• Αυτές οι αστάθειες, που ονομάζονται «τρόποι Kelvin-Helmholtz» μετά από τους φυσικούς Baron Kelvin και Hermann von Helmholtz, δρουν σαν άνεμος που αναδεύει κύματα καθώς φυσάει πάνω από το νερό και για πρώτη φορά διαπιστώνεται ότι σχετίζονται με ρεαλιστικά πειράματα σύντηξης. Τέτοιες μη ομοιόμορφες ροές πλάσματος είναι γνωστό ότι παίζουν ευνοϊκούς ρόλους στα πλάσματα σύντηξης σε συμβατικά και σφαιρικά tokamaks.

• Τα νέα αποτελέσματα αυτής της μελέτης υποδηλώνουν ότι ίσως χρειαστεί να διατηρήσουμε αυτές τις ροές σε βελτιστοποιημένο επίπεδο.

• Παγιδευμένα ηλεκτρόνια που αναπηδούν μεταξύ δύο σημείων σε ένα τμήμα του tokamak αντί να περιστρέφονται γύρω από την εγκατάσταση.

• Αυτά τα ηλεκτρόνια αποδείχθηκε ότι προκαλούν σημαντική διαρροή θερμότητας σε συστήματα H-mode – ή υψηλού περιορισμού – οδηγώντας μια συγκεκριμένη αστάθεια όταν συγκρούονται συχνά.

• Αυτός ο τύπος αστάθειας πιστεύεται ότι παίζει μικρό ρόλο στα συμβατικά tokamaks αλλά μπορεί να παρέχει μια ισχυρή πηγή αναταραχής στο πλάσμα σε σφαιρικές tokamaks.

Το πιο ενδιαφέρον είναι ότι το μοντέλο προβλέπει μια σειρά παγιδευμένων ηλεκτρονικών συγκρούσεων σε σφαιρικούς tokamaks που μπορεί να είναι χωρίς στροβιλισμούς, βελτιώνοντας έτσι τον περιορισμό του πλάσματος.

Τέτοια ευνοϊκά πλάσματα θα μπορούσαν ενδεχομένως να επιτευχθούν από μελλοντικά προηγμένα σφαιρικά tokamaks που λειτουργούν σε υψηλή θερμοκρασία.

Τα ευρήματα του νέου μοντέλου μπορούν να δοκιμαστούν στο NSTX-U και θα βοηθήσουν στην καθοδήγηση πειραμάτων για τον εντοπισμό μη παραδοσιακών πηγών αναταραχής στη σφαιρική εγκατάσταση.

Τα αποτελέσματα αυτής της έρευνας μπορούν να ρίξουν φως στη φυσική πίσω από τα βασικά εμπόδια στον περιορισμό του πλάσματος σε σφαιρικές εγκαταστάσεις και στους τρόπους αντιμετώπισής τους σε μελλοντικά μηχανήματα.

Το PPPL, στο Forrestal Campus του Πανεπιστημίου του Πρίνστον στο Plainsboro, NJ, είναι αφιερωμένο στη δημιουργία νέων γνώσεων σχετικά με τη φυσική του πλάσματος – εξαιρετικά καυτά, φορτισμένα αέρια – και στην ανάπτυξη πρακτικών λύσεων για τη δημιουργία ενέργειας σύντηξης.

Τα αποτελέσματα της έρευνας PPPL κυμαίνονταν από έναν φορητό ανιχνευτή πυρηνικών υλικών για αντιτρομοκρατική χρήση έως παγκοσμίως χρησιμοποιούμενους κωδικούς υπολογιστών για ανάλυση και πρόβλεψη του αποτελέσματος των πειραμάτων σύντηξης.

Το Εργαστήριο διοικείται από το Πανεπιστήμιο του Πρίνστον για το Γραφείο Επιστημών του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ, το οποίο είναι ο μεγαλύτερος μοναδικός υποστηρικτής της βασικής έρευνας στις φυσικές επιστήμες στις Ηνωμένες Πολιτείες, και εργάζεται για να αντιμετωπίσει μερικές από τις πιο πιεστικές προκλήσεις της εποχής μας. Για περισσότερες πληροφορίες, επισκεφθείτε το science.energy.gov .

Διαβάστε την περίληψη:

Weixing X. Wang, Stephane Ethier, Yang Ren, Stanley Kaye, Jin Chen, Edward Startsev, Zhixin Lu και Zhengqian Li. « Προσδιορισμός των νέων συνεισφορών αναταράξεων στη μεταφορά πλάσματος και τον περιορισμό στο σφαιρικό καθεστώς tokamak ». Physics of Plasmas, που δημοσιεύθηκε τον Οκτώβριο του 2015. doi: 10.1063 / 1.4933216.

https://blogs.princeton.edu/research/2015/12/01/identifying-new-sources-of-turbulence-in-spherical-tokamaks/