Um eine effiziente, autarke Fusionsenergie zu erzeugen, ist eine gute Eindämmung der Wärme im Plasma erforderlich. Der Plasmaeinschluss wird durch Partikel- und Energieverluste aufgrund von Turbulenzen begrenzt. Eine neue Analyse hat einen leistungsstarken Supercomputer verwendet, um diese Turbulenzen zu untersuchen.
Die Studie untersuchte die komplexe Wechselwirkung zwischen der langsamen Bewegung von Wasserstoff-Brennstoffionen im großen Maßstab und der schnellen Bewegung von Elektronen im kleinen Maßstab. Es stellte sich heraus, dass diese sogenannte „Multiskalenturbulenz“ hauptsächlich für die Wärmeverluste im Randbereich von Tokamak-Experimenten unter den für einen optimierten Fusionsreaktor erforderlichen Bedingungen verantwortlich ist.
Der Artikel wird in der Zeitschrift veröffentlicht Plasmaphysik und kontrollierte Fusion.
Frühere Simulationen konzentrierten sich auf Turbulenzen, die durch die großräumige Bewegung von Wasserstoff-Brennstoffionen verursacht wurden. Jüngste Fortschritte in der Computertechnik haben neue Simulationen ermöglicht, die die Raum- und Zeitskalen von Wasserstoffionen mit den kleineren räumlichen Skalen und schnelleren Zeitskalen der viel leichteren Elektronen koppeln können. Wasserstoffionen sind 1800-mal schwerer als Elektronen.
In dieser Studie führten Wissenschaftler mit einem der leistungsstärksten Computer der Welt, dem Summit-Supercomputer in der Oak Ridge Leadership Computing Facility, einer Benutzereinrichtung des Energieministeriums, die ersten Simulationen von Plasmaturbulenzen am Rand von Tokamaks durch, die das Multi erfassen -skalige Ion-Elektron-Wechselwirkung. Dem Team gehörten Forscher von General Atomics und der University of California San Diego an. Die Simulationen sagen die in Experimenten im DIII-D-Tokamak gemessenen Wärmeverluste genau voraus. Die Ergebnisse zeigen, dass Turbulenzen auf kleinen Elektronenskalen zum dominanten Treiber für Wärmeverluste am Tokamak-Rand werden können.
Plasmaturbulenzen können die Leistung von Fusionsreaktoren einschränken. Forscher wissen, dass der Randbereich des Tokamak-Plasmas eine Schlüsselrolle bei der Festlegung des gesamten Energieeinschlusses spielt. Die neuen Supercomputersimulationen liefern dringend benötigte Vorhersagen von Kantenturbulenzen. Dies wird Fusionsforschungsforschern bei der Entwicklung von Fusionsreaktoren der nächsten Generation wie ITER mit optimaler Fusionsleistung helfen.
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EA Belli et al, Spektraler Übergang multiskaliger Turbulenzen im Tokamak-Sockel, Plasmaphysik und kontrollierte Fusion (2022). DOI: 10.1088/1361-6587/aca9fa