Buscando mejorar aún más el rendimiento del plasma, a partir del 7 de marzo de 2017, se iniciaron experimentos de plasma que utilizan iones de deuterio, que tienen el doble de masa de hidrógeno, en el Gran Dispositivo Helicoidal LHD en el Instituto Nacional de Ciencias de Fusión NIFS.En numerosos experimentos de plasma que se llevan a cabo en países de todo el mundo, el uso de deuterio está mejorando el confinamiento de calor y partículas, es decir, se observa el fenómeno llamado "efecto de masa de iones", en el que se mejora el rendimiento del plasma.Todavía no entiendo el mecanismo físico detallado de cómo el aumento de la masa de iones está relacionado con la mejora del rendimiento. Este ha sido uno de los problemas sin resolver más importantes en la física del plasma y la investigación de fusión desde su comienzo.
En los plasmas confinados en el campo magnético hay varios tipos de ondas. En condiciones particulares, esas ondas crecen a medida que pasa el tiempo, y ocurre la llamada "inestabilidad" y el plasma se vuelve turbulento. Según la investigación hasta la fecha, hayse ha encontrado que ocurre una estructura de flujo única llamada "flujo zonal" que se forma espontáneamente en un plasma turbulento. Los flujos zonales toman la estructura de banda que fluye en la dirección opuesta entre sí, y se sabe que estos flujos desempeñan un papel importante en elSupresión de la turbulencia. Sin embargo, quedan muchos aspectos sin aclarar con respecto a las condiciones por las cuales se forman la turbulencia y los flujos zonales. Si las influencias producidas por las diferencias en la masa de iones pueden aclararse teóricamente, podemos predecir con precisión las mejoras de confinamiento que se observan en los experimentos.Y debido a que podemos vincular la mejora del confinamiento con una mejora adicional del rendimiento del plasma, se anticipan nuevos avances en la investigación.
El grupo de investigación del profesor Motoki Nakata, a través de una investigación en colaboración con el profesor Tomohiko Watanabe de la Universidad de Nagoya, realizó simulaciones de turbulencia de plasma en cinco dimensiones utilizando el "Simulador de plasma" en NIFS y la supercomputadora de última generación "K" en el Instituto Avanzado RIKENpara Computational Science para analizar inestabilidades modos de electrones atrapados causados por electrones que se mueven de un lado a otro a lo largo de las líneas del campo magnético y analizar en detalle la turbulencia generada por la inestabilidad. Como resultado, aclaramos que la influencia del ionla masa apareció notablemente en un plasma de alta densidad y ese mecanismo físico detallado en el que se suprime la turbulencia a través de un efecto causado por colisiones de iones de electrones. Además, descubrimos que esos fenómenos existen tanto en los plasmas helicoidales como en los de tokamak.para aclarar el "efecto de masa de iones" ampliamente observado y uno de los mecanismos importantes para mejorar el rendimiento del plasma.
El mecanismo detallado que suprime la turbulencia se explica a continuación. La turbulencia causada por la inestabilidad de los electrones atrapados debilita el confinamiento del calor y las partículas de plasma. Las colisiones entre los electrones y los iones atrapados suprimen las inestabilidades suprimiendo el crecimiento de las ondas. A una temperatura fija,las colisiones ocurren con frecuencia a densidades plasmáticas más altas. Aquí, los impactos de las colisiones en el plasma de deuterio son notables en comparación con el hidrógeno. Como resultado, la turbulencia puede ser suprimida. Además, aclaramos que en la condición en que la inestabilidad se ha debilitado, el "el flujo zonal "se vuelve más fuerte y suprime aún más la turbulencia al moler grandes remolinos y olas, y finalmente mejora el confinamiento del calor y las partículas".
Como se ha aclarado anteriormente, una imagen completa de la supresión de turbulencias en un plasma con gran masa de iones puede expresarse esquemáticamente. Estos resultados de investigación proporcionan conocimientos fundamentales sobre la aclaración completa del "efecto de masa de iones", que fue un problema sin resolver para muchosaños en física de plasma e investigación de fusión Además, se espera que los resultados sean beneficiosos para mejorar el plasma no solo en dispositivos helicoidales como LHD, sino también en tokamaks como lo representa el Reactor Termonuclear Experimental Internacional ITER, que se encuentra actualmente en construcción.
Glosario
Efecto de masa iónica
Esto se denomina efecto de masa de isótopos de hidrógeno. Este es un término general para las influencias físicas sobre la estabilidad y el confinamiento provocado por la masa de iones.
simulación de turbulencia de plasma en cinco dimensiones
El comportamiento de turbulencia en plasma de alta temperatura confinado en el campo magnético se describe matemáticamente a través de una ecuación dinámica en un espacio de cinco dimensiones las tres coordenadas del espacio a las que se agregan dos componentes de la velocidad de las partículas.expresados en ecuaciones tridimensionales difieren significativamente de los comportamientos de plasma de cinco dimensiones en complejidad y diversidad. Utilizando una supercomputadora, resolvemos las ecuaciones de cinco dimensiones a alta velocidad para analizar los fenómenos de turbulencia de plasma. En NIFS, en una investigación conjunta con la Universidad de Nagoya estamosavanzando en el desarrollo del código de simulación "GKV".
flujo zonal
Estructura de flujo que se forma espontáneamente en turbulencia. La dirección del flujo se invierte a cierta distancia. El término "flujo zonal" proviene del patrón de rayas en el que fluye continuamente hacia atrás. La dirección inversa del flujo zonal tritura remolinos que transportan calor y partículas, y se mejora el confinamiento. El flujo zonal también se forma en los patrones de rayas en la atmósfera de Júpiter.
Fuente de la historia :
Materiales proporcionados por Institutos Nacionales de Ciencias Naturales . Nota: El contenido puede ser editado por estilo y longitud.
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