Japanin Large Helical Device (LHD) -stellaraattorin sisällä, joka on rakennettu testaamaan plasmafuusiorajoitusta. Luotto: Justin Ruckman
Uusia oivalluksia fuusioplasmojen turbulenssin ymmärtämiseen.
Fuusion saavuttamiseksi voimalaitoksessa yli 100 miljoonan celsiusasteen plasma on suljettava vakaasti magneettikenttään ja ylläpidettävä sitä pitkään.
Tutkimusryhmä, jota johtivat apulaisprofessori Naoki Kenmochi, professori Katsumi Ida ja apulaisprofessori Tokihiko Tokuzawa National Institute for Fusion Science -instituutista (NIFS), National Institutes of Natural Sciences (NINS), Japani, joka käyttää itsenäisesti ja yhteistyössä kehitettyjä mittalaitteita. Professori Daniel J. den Hartog Wisconsinin yliopistosta, USA:sta, havaitsi ensimmäistä kertaa maailmassa, että turbulenssi liikkuu nopeammin kuin lämpö, kun lämpö karkaa plasmassa Large Helical Device (LHD) -laitteessa. Yksi tämän turbulenssin ominaisuus mahdollistaa plasman lämpötilan muutosten ennustamisen, ja turbulenssin havainnoinnin odotetaan johtavan menetelmän kehittämiseen plasman lämpötilan reaaliaikaiseen säätelyyn tulevaisuudessa.
Magneettikentän rajoittamassa korkean lämpötilan plasmassa syntyy "turbulenssia", joka on virtaus, jossa on erikokoisia pyörteitä. Tämä turbulenssi aiheuttaa plasman häiriön, ja suljetusta plasmasta tuleva lämpö virtaa ulospäin, mikä johtaa plasman lämpötilan laskuun. Tämän ongelman ratkaisemiseksi on tarpeen ymmärtää plasman lämmön ja turbulenssin ominaisuudet. Plasman turbulenssi on kuitenkin niin monimutkainen, että emme ole vielä täysin ymmärtäneet sitä. Erityisesti sitä, kuinka syntyvä turbulenssi liikkuu plasmassa, ei ymmärretä hyvin, koska se vaatii instrumentteja, jotka voivat mitata minuutin turbulenssin aikakehitystä korkealla herkkyydellä ja erittäin korkealla spatiotemporaalisella resoluutiolla.
Plasmaan voi muodostua "este", joka estää lämmön siirtymisen keskustasta ulospäin. Este saa aikaan voimakkaan painegradientin plasmassa ja synnyttää turbulenssia. Apulaisprofessori Kenmochi ja hänen tutkimusryhmänsä ovat kehittäneet menetelmän tämän esteen rikkomiseksi suunnittelemalla magneettikenttärakennetta. Tämän menetelmän avulla voimme keskittyä lämpöön ja turbulenssiin, jotka virtaavat voimakkaasti esteiden murtuessa, ja tutkia niiden suhdetta yksityiskohtaisesti. Tämän jälkeen mittasimme eri aallonpituuksilla sähkömagneettisia aaltoja käyttäen muuttuvaa lämpötilaa ja elektronien lämpövirtaa sekä millimetrin kokoista hienoa turbulenssia maailman korkeimmalla tarkkuudella. Aikaisemmin lämmön ja turbulenssin tiedettiin liikkuvan lähes samanaikaisesti nopeudella 5,000 3,100 kilometriä tunnissa (40,000 25,000 mailia tunnissa), joka on suunnilleen lentokoneen nopeus, mutta tämä koe johti maailman ensimmäiseen löytöyn turbulenssista, joka liikkui lämpöä edellä XNUMX XNUMX kilometriä tunnissa (XNUMX XNUMX mailia tunnissa). Tämän turbulenssin nopeus on lähellä raketin nopeutta.
Apulaisprofessori Naoki Kenmochi sanoi: "Tämä tutkimus on dramaattisesti parantanut ymmärrystämme fuusioplasmojen turbulenssista. Turbulenssin uusi ominaisuus, että se liikkuu paljon nopeammin kuin lämpö plasmassa, osoittaa, että voimme ehkä ennustaa plasman lämpötilan muutoksia tarkkailemalla ennustavaa turbulenssia. Tulevaisuudessa odotamme tämän pohjalta kehittävän menetelmiä plasman lämpötilojen reaaliaikaiseen säätelyyn.
Viite: N. Kenmochi, K. Ida, T. Tokuzawa, R. Yasuhara, H. Funaba, H. Uehara, DJ Den Hartog, I. Yamada, "Preceding Provotion of turbulence pulses at laviinetapahtumat magneettisesti suljetussa plasmassa", M. Yoshinuma, Y. Takemura ja H. Igami, 16. toukokuuta 2022, Tieteellinen raportit.
DOI: 10.1038 / s41598-022-10499-z
