Результаты, опубликованные в январе в журнале Physical Review Letters, основаны на моделировании плазменной турбулентности на основе первых принципов экспериментов, проведенных на Национальном термоядерном комплексе DIII-D, которым General Atomics управляет для Министерства энергетики в Сан-Диего. Полученные данные могут привести к улучшению контроля термоядерных реакций в ИТЭР, международном эксперименте, который строится во Франции для демонстрации возможности создания термоядерной энергии. Поддержка этого исследования поступает от Управления науки Министерства энергетики США с помощью моделирования, выполненного в Национальном вычислительном центре исследований в области энергетики (NERSC), в центре научных исследований Министерства энергетики в Национальной лаборатории Лоуренса в Беркли.
Лучи высокой энергииЧтобы повысить стабильность и удержание плазмы, газа, состоящего из электронов и ионов, который часто называют четвертым состоянием материи, физики традиционно вводили высокоэнергетические пучки нейтральных атомов. Эти энергетические лучи заставляют ядро и внешнюю область плазмы вращаться с разной скоростью, создавая сдвиговый поток или вращение, что улучшает стабильность и удержание. Одна постоянная загадка заключается в том, как плазма иногда самопроизвольно генерирует собственный срезанный поток.
Новое исследование, проведенное физиками PPPL Брайаном Грирсоном и Вейксингом Вангом, показывает, что достаточный нагрев ядра плазмы создает особый тип турбулентности, который создает собственный крутящий момент или крутящую силу, которая заставляет плазму генерировать собственный сдвигающийся поток. . Полученные данные имеют отношение к большим будущим реакторам, поскольку инжекция нейтрального пучка создаст лишь ограниченное вращение огромной плазмы внутри таких установок.Самоорганизующаяся плазма
Совместное исследование ученых PPPL и General Atomics показало, что плазма может организовываться для создания сдвигового вращения при правильном добавлении тепла. Процесс работает так:Нагрев ядра плазмы вызывает турбулентность, сила которой колеблется по радиусу газа.Колебания создают «остаточное напряжение», которое действует как крутящий момент, заставляющий внутреннюю и внешнюю части плазмы вращаться друг напротив друга с разными скоростями.
Различные скорости вращения представляют собой баланс между крутящим моментом, создаваемым турбулентностью, и вязкостью плазмы, которая не позволяет газу вращаться произвольно быстро.Исследователи использовали код GTS для моделирования физики турбулентного переноса плазмы, моделируя поведение частиц плазмы, когда они вращаются вокруг магнитных полей.
Моделирование предсказало профиль вращения путем моделирования собственного крутящего момента турбулентности и диффузии ее количества движения. Прогнозируемое вращение вполне соответствовало по форме и величине вращению, наблюдаемому в экспериментах DIII-D.
Следующей ключевой задачей будет экстраполировать процессы для ИТЭР. Такое моделирование потребует масштабных симуляций, которые выйдут за пределы доступных в настоящее время высокопроизводительных суперкомпьютеров. «С помощью тщательных экспериментов и детального моделирования фундаментальной физики мы начинаем понимать, как плазма создает собственное сдвиговое вращение», — сказал Грирсон. «Это ключевой шаг на пути к оптимизации потока плазмы, чтобы сделать термоядерную плазму более стабильной и работать с высокой эффективностью».