In einem brennenden Plasma ist es für die Energieerzeugung von entscheidender Bedeutung, die durch die Fusion erzeugten energiereichen Ionen in Schach zu halten. In diesen Fusionsplasmen gibt es große Mengen elektromagnetischer Wellen, die hochenergetische Ionen aus dem Plasma herausdrücken können. Dadurch wird die Erwärmung des Plasmas durch die Fusionsreaktionsprodukte verringert und der brennende Zustand des Plasmas beendet. Neue Beobachtungen der DIII-D National Fusion Facility liefern wichtige Erkenntnisse über hochenergetische Ionen in Fusionsplasmen, die für die Entwicklung von Fusionskraftwerken und das Verständnis von Weltraumplasmen von entscheidender Bedeutung sind und Auswirkungen auf die Satellitentechnologie haben.
Aktuelle Messungen an der DIII-D National Fusion Facility liefern die ersten direkten Beobachtungen der räumlichen und energetischen Bewegung hochenergetischer Ionen in einem Tokamak. Die Forscher kombinierten diese Messungen mit fortschrittlichen Computermodellen elektromagnetischer Wellen und ihrer Wechselwirkungen mit energiereichen Ionen. Diese Ergebnisse vertiefen unser Verständnis der Wechselwirkung zwischen Plasmawellen und hochenergetischen Ionen in Fusionsplasmen.
Plasmaphysik und Fusionsforschung verlagern sich von experimentellen Anlagen hin zu Demonstrationskraftwerkskonstruktionen. Um diesen Übergang erfolgreich zu gestalten, benötigen Forscher genaue Simulationen und andere Werkzeuge, um die Leistung von Kraftwerkskonstruktionen vorherzusagen. Die meisten aktuellen Anlagen sind nicht in der Lage, Verbrennungsplasma zu erzeugen. Forscher verstehen jedoch einen Großteil der relevanten Physik und entwickeln Simulationswerkzeuge, um das beobachtete experimentelle Verhalten zu reproduzieren.
Die aktuelle Studie liefert neue Messungen hochenergetischer Ionenströme im DIII-D-Tokamak. Dies wird die Entwicklung von Modellen beschleunigen, die die Dynamik aller relevanten Welle-Ionen-Wechselwirkungen berücksichtigen können. Nach einem tieferen Verständnis kann auch die Phasenraumtechnik angewendet werden. Mit diesem Verfahren können Forscher neue Fusionsplasmen entwerfen, die auf vorhergesagten idealen Wechselwirkungen zwischen Wellen und Ionen basieren. Bemerkenswert ist, dass diese Wechselwirkungen auch Satelliten beschädigen können, sodass diese Forschung dazu beitragen könnte, die Zuverlässigkeit von Satelliten zu verbessern.
Forscher der DIII-D National Fusion Facility, einer Nutzereinrichtung des Energieministeriums, führten die ersten Messungen mit einem neuen Diagnosesystem, dem Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), durch, um den Fluss hochenergetischer Ionen in einem Tokamak zu beobachten. Nach Jahren der Konzeption, Konstruktion und Konstruktion ist INPA nun erstmals in der Lage, dieses Verhalten zu beobachten.
Nachdem hochenergetische Ionen durch einen neutralen Strahl in den Tokamak injiziert wurden, interagieren sie mit elektromagnetischen Plasmawellen und fließen mit Energie und Position im Tokamak. Die Simulationen reproduzierten das beobachtete Verhalten und demonstrierten die Genauigkeit des First-Principles-Modells bei der Beschreibung der zugrunde liegenden Physik. Die Verbesserung unseres Verständnisses dieser Welle-Teilchen-Wechselwirkungen hat wichtige Auswirkungen sowohl auf die Konstruktion von Kernfusionskraftwerken als auch auf das Verständnis des Verhaltens von Plasmen, die im Weltraum beobachtet werden.
INPA misst die Energie hochenergetischer Ionen, die von einem neutralen Strahl injiziert werden und größer sind als die Energie des Hintergrundplasmas vom heißen Plasmakern bis zum Rand des kalten Plasmas. Diese Experimente liefern in Kombination mit fortschrittlichen Hochleistungsrechnersimulationen, die das elektromagnetische Spektrum und Wechselwirkungen mit energiereichen Ionen simulieren, das detaillierteste Verständnis der Wechselwirkung zwischen Plasmawellen und energiereichen Ionen in Fusionsplasmen.
Dieses verbesserte Verständnis ermöglicht es Forschern auch, Phasenraumtechnik anzuwenden, d. h. den Entwurf neuer Fusionsplasmaschemata auf der Grundlage vorhergesagter idealer Wechselwirkungen zwischen Wellen und Ionen. Solche Wechselwirkungen finden im Weltraum statt. Beispielsweise bewirken elektromagnetische Ionenzyklotronwellen (EMIC), dass Elektronen durch den Raum fließen und Energie erzeugen.
In einigen Fällen werden die Elektronen beschleunigt, was zu Fehlfunktionen von Satelliten führt. Ein tieferes Verständnis des Welle-Teilchen-Resonanz-Wechselwirkungsprozesses durch Fusionsplasmaforschung wird dazu beitragen, Weltraumplasma zu simulieren und dadurch die Zuverlässigkeit zukünftiger Satellitenmissionen zu verbessern.
Zusammengestellte Quelle: ScitechDaily