Investigadores de la Instalación Nacional de Fusión DIII-D, una instalación para usuarios de la Oficina de Ciencias del DOE operada por General Atomics, utilizó un modelo fluido de "física reducida" de turbulencia de plasma para explicar propiedades inesperadas del perfil de densidad dentro de un experimento de tokamak. Modelar el comportamiento turbulento del plasma podría ayudar a los científicos a optimizar el rendimiento de tokamak en futuros reactores de fusión como ITER.
La aplicación de calor en un tokamak produce muchos fenómenos interesantes, como cambios en la rotación y densidad del plasma. Los investigadores de DIII-D modelaron cómo diferentes tipos de calefacción, como microondas que producen calentamiento de electrones o haces neutros que producen calentamiento de iones, influye en la densidad del plasma, comportamiento de impurezas y transporte turbulento. Los diferentes métodos de calentamiento generan turbulencias en escalas largas (iónicas) y escalas mucho más cortas (electrones) que se encuentran en la frontera de las simulaciones informáticas de turbulencia.
Sus hallazgos, informó esta semana en Física de Plasmas , mostró que calentar los electrones en un reactor de fusión provocaba cambios importantes en los gradientes de densidad dentro del plasma. Su modelo de "fluido de giro-Landau atrapado" (TGLF) predijo que la adición de turbulencia excitada por calor, en longitudes de onda entre las escalas de iones y electrones, y produciría un pellizco de partículas que modificaría el perfil de densidad general del plasma. Adicionalmente, en este papel, Los investigadores utilizaron su modelo de transporte reducido para predecir el transporte de impurezas en un reactor de fusión.
Brian Grierson, un físico del Laboratorio de Física del Plasma de Princeton que trabaja como investigador en la Instalación Nacional de Fusión DIII-D en San Diego, dijo que "cuando calientas el plasma, no solo cambias la temperatura, cambias el tipo de turbulencia que existe, y eso tiene implicaciones secundarias sobre el transporte de la densidad del plasma y la rotación del plasma ".
Generalmente, el calor que fluye desde el centro del plasma caliente al borde del plasma frío impulsa la difusión turbulenta, que debería actuar para aplanar el gradiente de densidad. "Pero lo fascinante es que a veces la aplicación de calor en un reactor de fusión hace que se produzca un gradiente de densidad en lugar de aplanarlo, ", Dijo Grierson. Este pico de densidad es significativo porque la reacción de fusión entre las partículas de deuterio y tritio en un tokamak aumenta a medida que aumenta la densidad del plasma. En otras palabras, él dijo, "El poder de fusión es proporcional a la densidad [del plasma] al cuadrado".
Grierson le da crédito a Gary Staebler, un coautor del artículo, como el teórico de General Atomics detrás de TGLF, el modelo probado en este documento. TGLF es un modelo de física reducida del código girocinético de "física completa" GYRO para transporte turbulento, que debe ejecutarse en supercomputadoras. Usando este modelo TGLF más rentable, los investigadores pudieron ejecutar el código con varias mediciones experimentales y entradas cientos de veces para cuantificar cómo las incertidumbres en los datos experimentales afectan la interpretación teórica.
Avanzando, Grierson espera que estos hallazgos ayuden a informar la investigación para avanzar en la comprensión de la comunidad de fusión de las fluctuaciones a muy pequeña escala y el transporte de impurezas dentro de un plasma.
"Necesitamos entender el transporte bajo calentamiento de iones y electrones para proyectar con seguridad a futuros reactores, debido a que los reactores de potencia de fusión tendrán calentamiento de iones y electrones, ", Dijo Grierson." Este resultado identifica lo que tenemos que investigar con las simulaciones de física completa, computacionalmente desafiantes, para verificar la interacción de la partícula, transporte de impulso e impurezas con calentamiento ".
