In einem brennenden Plasma ist die Aufrechterhaltung des Einschlusses der durch Fusion erzeugten energiereichen Ionen für die Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung. Diese Fusionsplasmen beherbergen ein breites Spektrum elektromagnetischer Wellen, die energiereiche Ionen aus dem Plasma verdrängen können.
Dies reduziert die Erwärmung des Plasmas durch Fusionsreaktionsprodukte und beendet den brennenden Plasmazustand. Jüngste Messungen an der DIII-D National Fusion Facility liefern die ersten direkten Beobachtungen energiereicher Ionen, die sich in einem Tokamak durch Raum und Energie bewegen.
Die Forscher kombinierten diese Messungen mit fortschrittlichen Computermodellen elektromagnetischer Wellen und ihrer Wechselwirkung mit energiereichen Ionen. Die Ergebnisse liefern ein verbessertes Verständnis des Zusammenspiels zwischen Plasmawellen und energiereichen Ionen in Fusionsplasmen.
Plasmaphysik und Fusionsforschung entwickeln sich von experimentellen Anlagen hin zu Demonstrationskraftwerken. Um diesen Schritt zum Erfolg zu führen, benötigen Forscher genaue Simulationen und andere Tools, die die Leistung von Kraftwerkskonstruktionen vorhersagen. Die meisten aktuellen Anlagen erzeugen kein brennendes Plasma.
Forscher verstehen jedoch einen Großteil der relevanten Physik und entwickeln Simulationen, um das beobachtete experimentelle Verhalten zu reproduzieren. Die aktuelle Forschung führte zu neuen Messungen des energiereichen Ionenflusses im DIII-D-Tokamak. Dies wird die Entwicklung von Modellen beschleunigen, die alle relevanten Wellen-Ionen-Wechselwirkungsdynamiken berücksichtigen. Dieses verbesserte Verständnis ermöglicht auch die Anwendung der Phasenraumtechnik.
Forscher können diesen Prozess nutzen, um neue Fusionsplasmaszenarien zu entwerfen, die auf vorhergesagten idealen Wechselwirkungen zwischen Wellen und Ionen basieren. Bemerkenswert ist, dass diese Wechselwirkungen auch Satelliten beeinträchtigen können, sodass diese Forschung dazu beitragen kann, ihre Zuverlässigkeit zu verbessern.
Forscher der DIII-D National Fusion Facility, einer Nutzereinrichtung des Energieministeriums, haben die ersten Messungen eines neuen Diagnosesystems, des Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), genutzt, um den Fluss energiereicher Ionen in einem Tokamak zu beobachten.
Eine mehrjährige Anstrengung zur Konzeption, Gestaltung und zum Bau des INPA hat nun die erste Möglichkeit geschaffen, dieses Verhalten zu beobachten. Nachdem sie durch neutrale Strahlen in den Tokamak injiziert wurden, interagieren energiereiche Ionen mit elektromagnetischen Plasmawellen und fließen in Energie und Position durch den Tokamak. Simulationen reproduzieren das beobachtete Verhalten und demonstrieren so die Genauigkeit von Ab-initio-Modellen bei der Beschreibung der zugrunde liegenden Physik.
Ein verbessertes Verständnis dieser Welle-Teilchen-Wechselwirkungen ist für die Konstruktion von Fusionskraftwerken und das Verständnis des Verhaltens von im Weltraum beobachteten Plasmen relevant.
Das INPA misst die Energie von durch einen neutralen Strahl injizierten energiereichen Ionen, deren Energie größer als die des Hintergrundplasmas ist, über Zeit und räumliche Position vom heißen Plasmakern bis zum kalten Plasmarand, wo die Ionen verloren gehen können.
In Verbindung mit fortschrittlichen Hochleistungsrechnersimulationen, die sowohl das Spektrum elektromagnetischer Wellen als auch die Wechselwirkungen mit energiereichen Ionen modellieren, liefern diese Experimente das detaillierteste Verständnis des Zusammenspiels zwischen Plasmawellen und energiereichen Ionen in Fusionsplasmen.
Dieses verbesserte Verständnis ermöglicht es Forschern auch, Phasenraumtechnik anzuwenden, einen Prozess, bei dem sie neue Fusionsplasmaszenarien basierend auf vorhergesagten idealen Wechselwirkungen zwischen Wellen und Ionen entwerfen. Solche Wechselwirkungen finden im Weltraum statt.
Beispielsweise bewirken elektromagnetische Ionenzyklotronwellen (EMIC), dass Elektronen durch den Raum fließen und Energie erzeugen. In einigen Fällen wurden Elektronen so beschleunigt, dass sie bei Satelliten zu Fehlfunktionen führten. Ein verbessertes Verständnis der resonanten Wechselwirkungsprozesse zwischen Welle und Teilchen durch die Fusionsplasmaforschung trägt zu Simulationen von Weltraumplasma bei, was die Zuverlässigkeit zukünftiger Satellitenmissionen verbessern könnte.
Die Ergebnisse sind veröffentlicht im Tagebuch Kernfusion.
Mehr Informationen:
XD Du et al., Visualisierung des Phasenraumflusses schneller Ionen in Plasmen deutlich unterhalb, nahe und deutlich oberhalb der Alfvén-Eigenmode-Stabilitätsschwelle in Tokamak, Kernfusion (2023). DOI: 10.1088/1741-4326/acbec5
J. Gonzalez-Martin et al., Modellierung des Alfvén-Eigenmode-induzierten Flusses schneller Ionen, gemessen mit einem bildgebenden Neutralteilchenanalysator, Kernfusion (2022). DOI: 10.1088/1741-4326/ac7406