Pesquisadores do DIII-D National Fusion Facility, uma instalação de usuário do DOE Office of Science operada pela General Atomics, usou um modelo de fluido de "física reduzida" de turbulência de plasma para explicar propriedades inesperadas do perfil de densidade dentro de um experimento de tokamak. A modelagem do comportamento turbulento do plasma pode ajudar os cientistas a otimizar o desempenho do tokamak em futuros reatores de fusão como o ITER.

A aplicação de calor em um tokamak produz muitos fenômenos interessantes, como mudanças na rotação e densidade do plasma. Os pesquisadores DIII-D modelaram como diferentes tipos de aquecimento, como microondas que produzem aquecimento de elétrons ou feixes neutros que produzem aquecimento de íons, influencia a densidade do plasma, comportamento de impurezas e transporte turbulento. Os diferentes métodos de aquecimento geram turbulência em escalas longas (íons) e escalas muito mais curtas (elétrons) que estão na fronteira das simulações de computador de turbulência.

Suas descobertas, relatado esta semana em Física dos Plasmas , mostraram que o aquecimento dos elétrons em um reator de fusão causou mudanças importantes nos gradientes de densidade dentro do plasma. Seu modelo de "fluido giro-Landau aprisionado" (TGLF) previu que a adição de turbulência excitada pelo calor, em comprimentos de onda entre as escalas de íons e elétrons, e produziria um aperto de partícula que modifica o perfil de densidade geral do plasma. Adicionalmente, nesse papel, os pesquisadores usaram seu modelo de transporte reduzido para prever o transporte de impurezas em um reator de fusão.

Brian Grierson, um físico do Laboratório de Física de Plasma de Princeton trabalhando como pesquisador no DIII-D National Fusion Facility em San Diego, disse que "quando você aquece o plasma, você não apenas muda a temperatura, você muda o tipo de turbulência que existe, e isso tem implicações secundárias no transporte da densidade do plasma e na rotação do plasma. "

Geralmente, o calor que flui do centro do plasma quente para a borda do plasma frio conduz a difusão turbulenta, que deve agir para achatar o gradiente de densidade. "Mas o fascinante é que às vezes a aplicação de calor em um reator de fusão faz com que ele produza um gradiente de densidade em vez de achatá-lo, "Grierson disse. Esse pico de densidade é significativo porque a reação de fusão entre as partículas de deutério e trítio em um tokamak aumenta à medida que a densidade do plasma aumenta. Em outras palavras, ele disse, "a potência de fusão é proporcional à densidade [plasma] ao quadrado."

Grierson credita Gary Staebler, um co-autor no artigo, como o teórico geral de Atomics por trás do TGLF, o modelo testado neste artigo. TGLF é um modelo de física reduzida do código giroscinético de "física completa" GYRO para transporte turbulento, que deve ser executado em supercomputadores. Usando este modelo TGLF mais econômico, os pesquisadores foram capazes de executar o código com várias medições experimentais e entradas centenas de vezes para quantificar como as incertezas nos dados experimentais afetam a interpretação teórica.

Daqui para frente, Grierson espera que essas descobertas ajudem a informar a pesquisa para avançar no entendimento da comunidade de fusão sobre flutuações em escala extremamente pequena e transporte de impurezas dentro de um plasma.

"Precisamos entender o transporte sob aquecimento de íons e elétrons para projetar com segurança os reatores futuros, porque os reatores de energia de fusão terão aquecimento de íons e elétrons, "Grierson disse." Este resultado identifica o que precisamos investigar com as simulações físicas completas desafiadoras computacionalmente para verificar a interação da partícula, momentum e transporte de impurezas com aquecimento. "