Vinding maakt kernfusiedivertor veel robuuster

Wanneer plasmadeeltjes in tokamaks ontsnappen aan de kern van de magnetische velden die het plasma in zijn donutvorm houden, stromen ze naar beneden richting de divertor. Daar botsen ze tegen metalen platen, koelen af ​​en kaatsen terug, wat de fusiereactie helpt voeden. Experimenten tonen echter consequent aan dat veel meer deeltjes de binnenste divertor raken dan de buitenste.

Ingenieurs moeten weten waar de uitlaatdeeltjes terechtkomen om divertors te kunnen bouwen die de hitte aankunnen. De meest gangbare verklaring is gebaseerd op de ‘cross-field drift’ binnen de divertor zelf, de zijwaartse beweging van deeltjes dwars op de magnetische veldlijnen. Computersimulaties die alleen dit soort drift omvatten, kunnen het onregelmatige inslagpatroon in experimenten echter niet reproduceren.

Nieuwe simulaties tonen nu aan dat de toroïdale rotatie – de beweging van de deeltjes terwijl ze zich door de tokamak bewegen – een cruciale rol speelt bij het bepalen van de exacte locatie waar de plasmabrandstof in het uitlaatsysteem van de machine terechtkomt. Een team van onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Lab gebruikte de modelleringscode SOLPS-ITER om het pad van de deeltjes onder verschillende omstandigheden te simuleren. Hun bevindingen, die werden gepubliceerd in Physical Review Letters, tonen aan dat wanneer de rotatie van de plasmakern wordt gecombineerd met cross-field drift, de simulaties eindelijk overeenkomen met experimentele metingen.

“Er zijn twee componenten die een rol spelen in de stroming in een plasma,” zegt onderzoeksfysicus Eric Emdee. “Er is dwarsstroming, waarbij deeltjes zijwaarts over de magnetische veldlijnen bewegen, en parallelstroming, waarbij ze langs die lijnen bewegen. Veel mensen dachten dat dwarsstroming de asymmetrie veroorzaakte. Dit artikel laat echter zien dat parallelstroming, aangedreven door de roterende kern, net zo belangrijk is.”

Het team modelleerde plasma in de DIII-D tokamak in Californië en testte vier scenario’s: met en zonder dwarsstroming en met en zonder plasmarotatie. De simulaties kwamen pas in de buurt van de experimentele resultaten toen het team één element toevoegde: de gemeten kernrotatie van 88,4 kilometer per seconde.

Het gecombineerde effect bleek veel groter dan elk van de componenten afzonderlijk. De bevinding suggereert dat het nauwkeurig voorspellen van het uitlaatgedrag in toekomstige fusiesystemen vereist dat rekening wordt gehouden met de manier waarop de roterende plasmakern de randstromen beïnvloedt. Dit verband zou ingenieurs kunnen helpen bij het ontwerpen van divertoren die beter bestand zijn tegen de realiteit.