Ricercatori del DIII-D National Fusion Facility, una struttura utente DOE Office of Science gestita da General Atomics, ha utilizzato un modello fluido "fisico ridotto" della turbolenza del plasma per spiegare proprietà inaspettate del profilo di densità all'interno di un esperimento tokamak. La modellazione del comportamento turbolento del plasma potrebbe aiutare gli scienziati a ottimizzare le prestazioni del tokamak nei futuri reattori a fusione come ITER.
L'applicazione di calore in un tokamak produce molti fenomeni interessanti come i cambiamenti nella rotazione e nella densità del plasma. I ricercatori DIII-D hanno modellato come i diversi tipi di riscaldamento, come le microonde che producono riscaldamento di elettroni o fasci neutri che producono riscaldamento di ioni, influenza la densità del plasma, comportamento delle impurità e trasporto turbolento. I diversi metodi di riscaldamento guidano la turbolenza alle scale lunghe (ioniche) e molto più corte (elettroniche) che sono alla frontiera delle simulazioni computerizzate di turbolenza.
Le loro scoperte, segnalato questa settimana in Fisica dei Plasmi , ha mostrato che il riscaldamento degli elettroni in un reattore a fusione ha causato importanti cambiamenti nei gradienti di densità all'interno del plasma. Il loro modello di "fluido giroscopico-Landau intrappolato" (TGLF) prevedeva che aggiungendo turbolenza eccitata dal calore, a lunghezze d'onda comprese tra la scala ionica e quella elettronica, e produrrebbe un pizzico di particelle che modifica il profilo di densità complessivo del plasma. Inoltre, in questo documento, i ricercatori hanno utilizzato il loro modello di trasporto ridotto per prevedere il trasporto di impurità in un reattore a fusione.
Brian Grierson, un fisico del Princeton Plasma Physics Laboratory che lavora come ricercatore presso il DIII-D National Fusion Facility a San Diego, ha detto che "quando riscaldi il plasma, non cambi solo la temperatura, cambi il tipo di turbolenza che esiste, e questo ha implicazioni secondarie sul trasporto della densità del plasma e sulla rotazione del plasma".
In genere, il calore che scorre dal centro del plasma caldo al bordo del plasma freddo guida la diffusione turbolenta, che dovrebbe agire per appiattire il gradiente di densità. "Ma la cosa affascinante è che a volte l'applicazione di calore in un reattore a fusione fa sì che produca un gradiente di densità invece di appiattirlo, " ha detto Grierson. Questo picco di densità è significativo perché la reazione di fusione tra le particelle di deuterio e trizio in un tokamak aumenta all'aumentare della densità del plasma. In altre parole, Egli ha detto, "la potenza di fusione è proporzionale al quadrato della densità [del plasma]".
Grierson attribuisce a Gary Staebler, un coautore sulla carta, come il teorico dell'atomica generale dietro TGLF, il modello testato in questo articolo. TGLF è un modello fisico ridotto del codice girocinetico "full physics" GYRO per il trasporto turbolento, che deve essere eseguito su supercomputer. Utilizzando questo modello TGLF più conveniente, i ricercatori sono stati in grado di eseguire il codice con varie misurazioni sperimentali e input centinaia di volte per quantificare come le incertezze nei dati sperimentali influenzano l'interpretazione teorica.
Andando avanti, Grierson spera che questi risultati aiuteranno a informare la ricerca per far progredire la comprensione della comunità della fusione delle fluttuazioni su scala estremamente ridotta e del trasporto di impurità all'interno di un plasma.
"Dobbiamo comprendere il trasporto sotto riscaldamento di ioni ed elettroni per proiettare con sicurezza i futuri reattori, perché i reattori a fusione avranno sia il riscaldamento di ioni che di elettroni, " ha detto Grierson. "Questo risultato identifica ciò che abbiamo bisogno di indagare con le simulazioni di fisica completa computazionalmente impegnative per verificare l'interazione della particella, quantità di moto e trasporto di impurità con il riscaldamento."
