Детальный взгляд на двумерную структуру турбулентности в токамаках

В Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) ученые собрали большую базу данных подробных измерений двумерной (2-D) структуры краевой турбулентности плазмы, которая стала видимой с помощью диагностического метода, известного как напуск газа. изображения. Два измерения, измеренные внутри термоядерного устройства, называемого токамаком, представляют радиальную и вертикальную структуру турбулентности.

Шаг к более полному пониманию«Это исследование является постепенным шагом к более полному пониманию турбулентности», — сказал физик Стюарт Цвебен, ведущий автор исследования, опубликованного в журнале Physics of Plasmas. «Это могло бы помочь нам понять, как турбулентность действует как основная причина утечки плазмы».Термоядерный синтез происходит естественным образом в космосе, объединяя легкие элементы в плазме, чтобы высвободить энергию, которая питает солнце и звезды.

На Земле исследователи создают термоядерный синтез на таких объектах, как токамаки, которые контролируют горячую плазму с помощью магнитных полей. Но турбулентность часто вызывает утечку тепла из его магнитного удержания.Теперь ученые PPPL вышли за рамки ранее опубликованных характеристик турбулентности и проанализировали данные, чтобы сосредоточиться на двумерных пространственных корреляциях внутри турбулентности. Эта корреляция дает ключ к разгадке происхождения турбулентного поведения, которое вызывает утечку тепла и частиц, и будет служить дополнительной основой для тестирования компьютерного моделирования турбулентности на основе эмпирических данных.

Изучение 20 разрядов плазмыВ статье было изучено 20 разрядов плазмы, выбранных в качестве репрезентативной выборки из тех, что были созданы в рамках Национального эксперимента PPPL со сферическим тором (NSTX) до его недавней модернизации. В каждом из этих разрядов струя газа освещала турбулентность у края плазмы, где турбулентность представляет особый интерес. Затяжки, источник нейтральных атомов, которые светятся в ответ на изменения плотности в четко определенной области, позволили исследователям увидеть колебания плотности турбулентности.

Быстрая камера записывала результирующий свет со скоростью 400 000 кадров в секунду при размере кадра изображения 64 пикселя в ширину и 80 пикселей в высоту.Цвебен и соавторы провели вычислительный анализ данных с камеры, определив корреляции между различными областями кадров, когда турбулентные водовороты перемещались через них. «Мы наблюдаем закономерности пространственной структуры», — сказал Цвебен. «Вы можете сравнить это со структурой проплывающих мимо облаков. Некоторые большие облака могут собираться вместе, или может быть разрыв с простым небом».Детальный вид турбулентности

Корреляции дают детальное представление о природе турбулентности плазмы. «Простые вещи о турбулентности, такие как ее размер и масштаб времени, давно известны», — сказал физик PPPL Дарен Стотлер, соавтор статьи. «Эти симуляции позволяют глубоко погрузиться в другой уровень, чтобы посмотреть, как турбулентность в одной части плазмы изменяется по сравнению с турбулентностью в другой части».На полученном графике синий крест обозначает точку фокуса для вычисления; красные и желтые области вокруг креста — это области, в которых турбулентность развивается аналогично турбулентности в фокусной точке. Подальше исследователи обнаружили области, в которых турбулентность меняется противоположно изменениям в фокусе.

Эти удаленные области показаны на графике оттенками синего, а желтый крест указывает на точку с наиболее отрицательной корреляцией.Например, если красные и желтые изображения были областью турбулентности с высокой плотностью, синие изображения указывали на низкую плотность. «Увеличение плотности должно происходить откуда-то», — сказал Цвебен. «Может быть, из синих регионов».

В дальнейшем знание этих корреляций может быть использовано для предсказания поведения турбулентности в магнитно удерживаемой плазме. Успех этих усилий может углубить понимание фундаментальной причины потери тепла в результате термоядерных реакций.