Inne i Japans Large Helical Device (LHD) stellarator, bygget for å teste plasmafusjonsinneslutning. Kreditt: Justin Ruckman
Ny innsikt i å forstå turbulens i fusjonsplasmaer.
For å oppnå fusjon i et kraftverk er det nødvendig å stabilt begrense et plasma på mer enn 100 millioner grader Celsius i et magnetfelt og opprettholde det i lang tid.
En forskningsgruppe ledet av adjunkt Naoki Kenmochi, professor Katsumi Ida og førsteamanuensis Tokihiko Tokuzawa fra National Institute for Fusion Science (NIFS), National Institutes of Natural Sciences (NINS), Japan, ved hjelp av måleinstrumenter utviklet uavhengig og i samarbeid av professor Daniel J. den Hartog ved University of Wisconsin, USA, oppdaget for første gang i verden at turbulens beveger seg raskere enn varme når varme slipper ut i plasma i Large Helical Device (LHD). Et kjennetegn ved denne turbulensen gjør det mulig å forutsi endringer i plasmatemperaturen, og det forventes at observasjon av turbulens vil føre til utvikling av en metode for sanntidskontroll av plasmatemperatur i fremtiden.
I høytemperaturplasma som er begrenset av magnetfeltet, genereres "turbulens", som er en strømning med virvler av forskjellige størrelser. Denne turbulensen fører til at plasmaet blir forstyrret, og varmen fra det innestengte plasmaet strømmer utover, noe som resulterer i et fall i plasmatemperaturen. For å løse dette problemet er det nødvendig å forstå egenskapene til varme og turbulens i plasma. Turbulensen i plasma er imidlertid så kompleks at vi ennå ikke har oppnådd en full forståelse av den. Spesielt hvordan den genererte turbulensen beveger seg i plasmaet er ikke godt forstått, fordi det krever instrumenter som kan måle tidsutviklingen av minutt turbulens med høy følsomhet og ekstremt høy spatiotemporal oppløsning.
Det kan dannes en "barriere" i plasmaet, som blokkerer transporten av varme fra sentrum og utover. Barrieren lager en sterk trykkgradient i plasmaet og genererer turbulens. Adjunkt Kenmochi og hans forskergruppe har utviklet en metode for å bryte denne barrieren ved å utforme en magnetfeltstruktur. Denne metoden lar oss fokusere på varmen og turbulensen som strømmer kraftig når barrierene bryter, og studere forholdet deres i detalj. Deretter, ved hjelp av elektromagnetiske bølger med forskjellige bølgelengder, målte vi den skiftende temperaturen og varmestrømmen til elektroner og millimeterstor fin turbulens med verdens høyeste nivå av nøyaktighet. Tidligere hadde varme og turbulens vært kjent for å bevege seg nesten samtidig med en hastighet på 5,000 kilometer i timen (3,100 miles per time), omtrent samme hastighet som et fly, men dette eksperimentet førte til at verdens første oppdagelse av turbulens beveget seg foran varmen kl. en hastighet på 40,000 25,000 kilometer i timen (XNUMX XNUMX miles per time). Hastigheten til denne turbulensen er nær hastigheten til en rakett.
Assistentprofessor Naoki Kenmochi sa: "Denne forskningen har dramatisk fremmet vår forståelse av turbulens i fusjonsplasmaer. Den nye egenskapen til turbulens, at den beveger seg mye raskere enn varme i et plasma, indikerer at vi kan være i stand til å forutsi plasmatemperaturendringer ved å observere prediktiv turbulens. I fremtiden, basert på dette, forventer vi å utvikle metoder for å kontrollere plasmatemperaturer i sanntid."
Referanse: "Forutgående forplantning av turbulenspulser ved skredhendelser i et magnetisk begrenset plasma" av N. Kenmochi, K. Ida, T. Tokuzawa, R. Yasuhara, H. Funaba, H. Uehara, DJ Den Hartog, I. Yamada, M. Yoshinuma, Y. Takemura og H. Igami, 16. mai 2022, Vitenskapelige rapporter.
DOI: 10.1038 / s41598-022-10499-z
