Fusionsforschung voran: Neue Erkenntnisse zum energiereichen Ionentransport

Aktuelle Forschung am DIII-D National Fusion Facility hat zu bahnbrechenden Beobachtungen von energiereichen Ionen in Fusionsplasmen geführt, die entscheidend für den Erhalt des Zustands eines brennenden Plasmas sind. Dieses verbesserte Verständnis ist für die Entwicklung von Fusionskraftwerken von entscheidender Bedeutung und hat Auswirkungen auf das Verständnis von Plasmaverhalten im Weltraum, was die Zuverlässigkeit von Satelliten verbessern könnte. Quelle: SciTechDaily.com

Neue Beobachtungen am DIII-D National Fusion Facility bieten wichtige Einblicke in energiereiche Ionen in Fusionsplasmen, die für die Entwicklung von Fusionskraftwerken und das Verständnis von Weltraumplasma von entscheidender Bedeutung sind und Auswirkungen auf die Satellitentechnologie haben können.

In einem brennenden Plasma ist die Aufrechterhaltung der Einschlussung von durch Fusion erzeugten energiereichen Ionen entscheidend für die Energieproduktion. Diese Fusionsplasmen beherbergen eine Vielzahl von elektromagnetischen Wellen, die energiereiche Ionen aus dem Plasma drängen können. Dadurch wird die Erwärmung des Plasmas durch Reaktionsprodukte der Fusion verringert und der Zustand des brennenden Plasmas beendet.

Neue Messungen am DIII-D National Fusion Facility liefern die ersten direkten Beobachtungen von energiereichen Ionen, die sich durch Raum und Energie in einem Tokamak bewegen. Die Forscher kombinierten diese Messungen mit fortgeschrittenen Computermodellen elektromagnetischer Wellen und deren Wechselwirkung mit energiereichen Ionen. Die Ergebnisse liefern ein verbessertes Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Plasma-Wellen und energiereichen Ionen in Fusionsplasmen.

Die Plasmaphysik und die Fusionsforschung entwickeln sich von experimentellen Einrichtungen hin zu Demonstrationskraftwerkskonzepten. Um diesen Schritt erfolgreich zu machen, benötigen die Forscher genaue Simulationen und andere Werkzeuge, die vorhersagen, wie sich Kraftwerkskonzepte verhalten werden. Die meisten aktuellen Einrichtungen erzeugen jedoch kein brennendes Plasma. Die Forscher verstehen jedoch einen Großteil der relevanten Physik und entwickeln Simulationen, um das beobachtete experimentelle Verhalten zu reproduzieren.

Die aktuelle Forschung hat neue Messungen des energiereichen Ionenflusses im DIII-D Tokamak durchgeführt. Dies wird die Entwicklung von Modellen beschleunigen, die alle relevanten Dynamiken der Wechselwirkung zwischen Wellen und Ionen berücksichtigen.

Dieses verbesserte Verständnis ermöglicht auch die Anwendung von Phasenraumtechnik. Die Forscher können diesen Prozess verwenden, um neue Fusionsplasma-Szenarien zu entwerfen, die auf vorhergesagten idealen Wechselwirkungen zwischen Wellen und Ionen basieren. Diese Wechselwirkungen können auch Satelliten beeinträchtigen, daher kann diese Forschung zur Verbesserung ihrer Zuverlässigkeit beitragen.

Gemessener (links) und simulierter (rechts) energiereicher Ionenfluss in DIII-D Plasmen. Von den injizierten Energien der Neutralstrahlen ausgehend bewegen sich die injizierten Ionen durch Raum und Energie aufgrund von Wechselwirkungen mit elektromagnetischen Wellen. Quelle: X.D. Du, General Atomics

Forscher am DIII-D National Fusion Facility, einer Einrichtung des Department of Energy, haben die ersten Messungen eines neuen diagnostischen Systems, des Imaging Neutral Particle Analyzer (INPA), verwendet, um den Fluss von energiereichen Ionen in einem Tokamak zu beobachten. Ein mehrjähriger Aufwand zur Konzeption, zum Design und zum Bau des INPA hat jetzt erstmals die Möglichkeit geschaffen, dieses Verhalten zu beobachten.

Nach der Injektion in den Tokamak durch Neutralstrahlen interagieren energiereiche Ionen mit elektromagnetischen Plasmawellen und fließen in Energie und Position durch den Tokamak. Simulationen reproduzieren das beobachtete Verhalten und demonstrieren damit die Genauigkeit der Modellierung der grundlegenden Physik. Ein verbessertes Verständnis dieser Wechselwirkungen zwischen Wellen und Teilchen ist für die Konstruktion von Fusionskraftwerken und das Verständnis des Verhaltens von Plasmen im Weltraum relevant.

Das INPA misst die Energie von mit Neutralstrahlen injizierten energiereichen Ionen, die eine höhere Energie als das Hintergrundplasma haben, über Zeit und räumliche Position vom heißen Plasma-Kern bis zum kalten Plasma-Rand, wo die Ionen verloren gehen können. In Verbindung mit fortschrittlichen Hochleistungsrechnersimulationen, die sowohl das Spektrum elektromagnetischer Wellen als auch die Wechselwirkungen mit energiereichen Ionen modellieren, liefern diese Experimente das detaillierteste Verständnis der Wechselwirkungen zwischen Plasma-Wellen und energiereichen Ionen in Fusionsplasmen.

Dieses verbesserte Verständnis ermöglicht es den Forschern auch, die Phasenraumtechnik anzuwenden, einen Prozess, bei dem sie neue Fusionsplasma-Szenarien entwerfen, die auf vorhergesagten idealen Wechselwirkungen zwischen Wellen und Ionen basieren. Solche Arten von Wechselwirkungen treten im Weltraum auf. Zum Beispiel verursachen elektromagnetische Ionenzyklotron-Wellen (EMIC) den Fluss von Elektronen durch Raum und Energie.

In einigen Fällen wurden Elektronen beschleunigt, so dass sie Fehlfunktionen in Satelliten verursachen. Ein verbessertes Verständnis der resonanten Wechselwirkungsprozesse zwischen Wellen und Teilchen durch Fusionsplasmarecherche trägt zur Simulation von Weltraumplasmen bei, was die Zuverlässigkeit zukünftiger Satellitenmissionen verbessern könnte.