Применение тепла в токамаке вызывает множество интересных явлений, таких как изменение вращения и плотности плазмы. Исследователи DIII-D смоделировали, как различные типы нагрева, такие как микроволны, производящие нагрев электронов, или нейтральные пучки, вызывающие нагрев ионов, влияют на плотность плазмы, поведение примесей и турбулентный перенос. Различные методы нагрева вызывают турбулентность на больших (ионных) масштабах и гораздо более коротких (электронных) масштабах, которые находятся на переднем крае компьютерного моделирования турбулентности.
Их выводы, опубликованные на этой неделе в Physics of Plasmas от AIP Publishing, показали, что нагрев электронов в термоядерном реакторе вызывает важные изменения градиентов плотности в плазме. Их модель «захваченной гироскопической жидкости Ландау» (TGLF) предсказывала, что добавление турбулентности, возбуждаемой тепловым воздействием, на длинах волн между ионным и электронным масштабами, приведет к появлению пинча частиц, который изменит общий профиль плотности плазмы. Кроме того, в этой статье исследователи использовали свою сокращенную модель переноса для прогнозирования переноса примесей в термоядерном реакторе.Брайан Грирсон, физик из Принстонской лаборатории физики плазмы, работающий исследователем в Национальном термоядерном центре DIII-D в Сан-Диего, сказал, что «когда вы нагреваете плазму, вы не просто меняете температуру, вы меняете тип турбулентности, которая существует, и это имеет вторичные последствия для переноса плотности плазмы и ее вращения ".
Обычно тепло, протекающее от центра горячей плазмы к краю холодной плазмы, вызывает турбулентную диффузию, которая должна сглаживать градиент плотности. «Но самое интересное в том, что иногда применение тепла в термоядерном реакторе заставляет его создавать градиент плотности, а не сглаживать его», — сказал Грирсон. Этот пик плотности является значительным, потому что реакция синтеза между частицами дейтерия и трития в токамаке увеличивается с увеличением плотности плазмы. Другими словами, сказал он, «мощность термоядерного синтеза пропорциональна квадрату плотности [плазмы]».
Грирсон считает, что Гэри Стэблер, соавтор статьи, является теоретиком общей атомной теории, стоящим за TGLF, моделью, протестированной в этой статье. TGLF — это сокращенная физическая модель "полной физики" гирокинетического кода GYRO для турбулентного переноса, который должен запускаться на суперкомпьютерах. Используя эту более экономичную модель TGLF, исследователи смогли выполнить код с различными экспериментальными измерениями и вводить сотни раз, чтобы количественно оценить, как неопределенности в экспериментальных данных влияют на теоретическую интерпретацию.
В дальнейшем Грирсон надеется, что эти результаты помогут исследователям улучшить понимание термоядерного сообщества чрезвычайно мелкомасштабных флуктуаций и переноса примесей в плазме.«Нам необходимо понимать транспорт при нагреве ионов и электронов, чтобы уверенно делать прогнозы на будущие реакторы, потому что термоядерные реакторы будут иметь как ионный, так и электронный нагрев», — сказал Грирсон. «Этот результат указывает на то, что нам нужно исследовать с помощью сложного в вычислительном отношении полного физического моделирования, чтобы проверить взаимодействие переноса частиц, импульса и примесей с нагревом».