Теперь физики из Университета.S. Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики, похоже, получила новые важные сведения о том, что влияет на эту турбулентность, которая может влиять на утечку тепла из термоядерной плазмы внутри токамаков. Понимание того, как термоядерная плазма теряет тепло, имеет решающее значение, потому что чем больше плазма способна удерживать тепло, тем более эффективным может быть термоядерный реактор.
Такое понимание могло бы улучшить производительность ИТЭР, многонационального токамака, строящегося во Франции, за счет снижения утечки тепла.
Результаты этого исследования были опубликованы в серии статей, последняя из которых по физике плазмы вышла в декабре 2015 года. Первые наблюдения были опубликованы в Physical Review Letters в 2011 году и в Physics of Plasmas в 2012 году. Исследование было поддержано Управлением науки Министерства энергетики США.
Выводы основаны на том факте, что во время работы токамака центр плазмы становится намного горячее, чем край. Затем турбулентность стремится подтолкнуть ионы и электроны в горячей центральной плазме к краю, точно так же, как более горячая вода на дне чайника имеет тенденцию смешиваться с более холодной водой наверху, предотвращая попадание воды или плазмы. так жарко, как иначе.
Но когда ученые создают так называемый «градиент высокой плотности», заставляя плотность плазмы быстро меняться от высокой в центре до низкой на краях, плазма может стать горячее, прежде чем это тепло начнет уходить.
В PPPL группа исследователей, включая физиков Янга Рена и Вальтера Гуттенфельдера, теперь показала, что крутой градиент плотности также может снизить силу электронной турбулентности. Продолжая аналогию с чайником, резкий градиент плотности может ослабить интенсивность кипячения. А более слабое кипение или турбулентность означает, что из плазмы уходит меньше тепла.
Физики исследовали национальный сферический торус (NSTX) PPPL, сферический токамак, имеющий форму яблока с сердцевиной, до его недавней модернизации. «NSTX — один из немногих токамаков в мире, который может получать прямые измерения турбулентности электронного масштаба», — сказал Хуан Руис Руис, аспирант Массачусетского технологического института и первый автор последней статьи.
Используя компьютеры PPPL, команда проанализировала данные, полученные в ходе экспериментов NSTX 2010 года, когда ученые использовали диагностическое устройство, называемое устройством высокого k-рассеяния, которое излучает микроволны в плазму и измеряет, как они рассеиваются. Данные подтвердили, что турбулентность была низкой, когда градиент плотности был крутым.
Чтобы проанализировать, как градиент плотности влияет на силу электронной турбулентности, команда ввела информацию о температуре и плотности плазмы в программу, запускаемую на компьютерах в Национальном вычислительном центре исследований в области энергетики, учреждении для пользователей отдела науки Министерства энергетики в Национальном центре Лоуренса Беркли. Лаборатория в Беркли, Калифорния.
Результаты показали, что крутой градиент снижает силу электронной турбулентности намного больше, чем предсказывали более ранние теории.
Обсуждение в статье электронной турбулентности дополняет исследования Массачусетского технологического института, недавно опубликованные в журнале Nuclear Fusion. Моделирование экспериментов на Alcator C-Mod из Массачусетского технологического института, обычном токамаке, имеющем форму бублика, показало, что турбулентность электронного масштаба может вносить значительный вклад в гораздо большую турбулентность ионного масштаба, которая, как считается, доминирует над потерями тепла в обычных токамаках.
Этот вклад был продемонстрирован в многомасштабном моделировании под руководством научного сотрудника Массачусетского технологического института Натана Ховарда, который противоречил распространенному предположению о том, что влияние электронов было практически незначительным в обычных токамаках. Отдельное исследование Руиса предоставило дополнительные доказательства важности электронов для турбулентного переноса плазмы. Сферический токамак, на котором было основано это исследование, позволяет легче увидеть воздействие электронов, поскольку гораздо большая ионная турбулентность в таких токамаках обычно подавляется.
«Понимание стабилизирующих механизмов турбулентности, безусловно, является важной задачей для получения возможности прогнозирования при проектировании будущих термоядерных реакторов», — сказал Руис. "Требуются дальнейшие исследования, чтобы понять потери тепла в токамаках, и обновленная версия NSTX, NSTX-U, безусловно, будет использоваться для подробного изучения этой проблемы."
В состав группы, внесшей вклад в исследование Руиса, входили ученые из Массачусетского технологического института, Калифорнийского университета в Дэвисе, Университета Висконсин-Мэдисон, Национального исследовательского института термоядерного синтеза в Южной Корее и Nova Photonics, Inc. в Нью-Джерси.