I en omfattende eksperimentel undersøgelse har et internationalt team af forskere bekræftet beregningerne af en førende turbulenssimuleringskode til en hidtil uset grad. Dette markerer et stort gennembrud i forståelsen af turbulente transportprocesser i nukleare fusionsenheder.
Undersøgelsen er nu blevet offentliggjort i tidsskriftet Naturkommunikation og lægger et afgørende fundament for at forudsige ydelsen af fusionskraftværker.
Fremtidige fusionskraftværker sigter mod at generere brugbar energi effektivt ved at smelte lys atomkerner. Den mest avancerede tilgang – magnetisk indeslutningsfusion – konfriner en plasma, en gas opvarmet til millioner af grader Celsius inden for et magnetfelt. Dette plasma er ophængt uden vægkontakt inde i et donutformet vakuumkammer.
Energien frigivet fra den nukleare fusionsreaktion er ikke kun beregnet til elproduktion, men også til opretholdelse af plasmatemperaturen. For at opretholde processen skal plasmaet bevare så meget energi som muligt-hvad forskere omtaler som opnåelse af en indeslutningstid med høj energi.
Stærk turbulens påvirker plasmaegenskaber negativt
For at nå dette mål skal fysikere først forstå de ekstremt komplekse turbulente processer i plasma og ideelt set finde måder at regulere dem på. Til en vis grad er turbulens faktisk fordelagtig, da det hjælper med at transportere heliumkerner – ved udarbejdelsen af fusionsreaktionen – ud af plasmaet, mens det bringer frisk brændstof i kernen. Imidlertid reducerer overdreven turbulens energiindeslutningstiden, fordi energien slipper for hurtigt fra plasmacentret.
“Du kan sammenligne dette med en dråbe mælk i en kop kaffe: Hvis du rører med en ske, turbulente Eddies -form, og væskerne blander meget hurtigere end uden omrøring,” forklarer fysiker Dr. Klara Höfler, der studerede dette fænomen på Max Planck Institute for Plasma Physics (ipp) i Garching nær Munich.
Sammen med kolleger fra IPP og fem andre forskningsinstitutioner i Europa og USA har hun gjort et betydeligt gennembrud i forståelsen af turbulens i fusionsplasmaer. For første gang opnåede teamet en omfattende aftale mellem eksperimentelle resultater og computersimuleringer. Forskerne sammenlignede samtidig syv nøgleplasmavulbulensparametre – signifikant mere end i tidligere undersøgelser.
Til den nye undersøgelse anvendte Höfler verdens unikke diagnostiske udstyr på IPP Fusion -enheden ASDEX -opgradering. Dette gjorde det muligt for hende nøjagtigt at måle egenskaberne ved plasmaet på flere millioner grader under to udledninger med forskellige indstillinger.
Mikrobølger giver et detaljeret billede af plasmaet
Hvis du vil bestemme temperaturen på en sø, placerer du blot et termometer i vandet. I fusionsforskning måles plasmatemperatur typisk ved anvendelse af mikrobølger, der udsendes af selve plasmaet. Fra disse emissioner kan udsving i elektronstemperaturen også afledes.
Ved at lancere mikrobølger i plasmaet kan forskere desuden analysere det tilbagespredte stråling for at udtrække information om udsving i elektrondensiteten – det vil sige antallet af elektroner pr. Enhedsvolumen. Ved hjælp af denne tilgang var Höfler og hendes team i stand til at karakterisere udsving i både plasmatemperatur og plasmatæthed.
To diagnostiske metoder spillede en central rolle:
- Doppler -reflektometre til måling af svingninger i plasmatætheden. Ved hjælp af tre reflektometre fra ASDEX Upgrades Diagnostic Suite analyserede teamet virvler i forskellige størrelser forskellige steder.
- Et korrelation-elektron-cyclotron-emission (CECE) radiometer fra Massachusetts Institute of Technology (MIT) i USA til meget præcise målinger af elektronstemperatursvingninger.
De sammenlignende plasmasimuleringer i fem-dimensionelt faseplads blev udført under anvendelse af genkoden, udviklet ved IPP og globalt anerkendt som et førende værktøj til numerisk modellering af turbulente processer inde i plasmaer. Kompleksiteten af disse fænomener er så enorm, at supercomputere, der blev anvendt til denne undersøgelse, krævede i alt to måneders computertid til at modellere den observerede turbulens over kun et par millisekunder.
Tæt samarbejde mellem eksperimentelle og teoretiske fysikere var vigtig her. Det er ikke nok for genberegninger at gengive turbulensen korrekt. De er også nødt til at simulere den detaljerede måleproces, som forskerne nu har opnået efter mange års arbejde. Kun på denne måde kan der overhovedet etableres sammenlignelighed mellem eksperiment og numerisk beregning.
Gen gengiver også uventede eksperimentelle resultater
”Da jeg modtog simuleringsresultaterne, blev jeg virkelig overrasket over, hvor godt de matchede alle de eksperimentelle data,” minder Höfler. Selv fænomener, som ikke var intuitivt forventet, blev nøjagtigt forudsagt af genet.
Et eksempel: Forskningsteamet satte forskellige temperaturprofiler for de to plasmaudledninger, der blev undersøgt ved ASDEX -opgradering. Ved udledning 1 blev stejlere temperaturgradienter påført sammenlignet med udledning 2. som forventet, udledning 1 udviste større temperatursvingninger end udladning 2. Dog fuldstændigt uventet opførte densitetssvingningerne på den modsatte måde – et resultat, der oprindeligt virkede uforklarlig. Alligevel gengav gen -simuleringerne denne opførsel nøjagtigt.
“Vi har bevist, at Gene pålideligt forudsiger den reelle opførsel af de to plasmafredninger,” opsummerer Höfler. Til fusionsundersøgelser betyder det, at simuleringer kan bruges til at optimere plasmascenarier for at opnå den højest mulige energibelastningstid. Begrebet en digital tvilling af en fusionsenhed er nu mere håndgribelig, hvilket giver mulighed for forbedrede forudsigelser af reaktorplasmapræstation.