Οι επιστήμονες πάλευαν για χρόνια να εξηγήσουν ένα περίεργο μοτίβο στο εσωτερικό των tokamak, των μηχανών σε σχήμα ντόνατ που σχεδιάστηκαν για να παράγουν μια μέρα ηλεκτρική ενέργεια μέσω της σύντηξης ατόμων.
Μέσα σε αυτές τις συσκευές, το υπερθερμασμένο πλάσμα συγκρατείται στη θέση του από μαγνητικά πεδία. Κάποια από αυτά τα σωματίδια τελικά διαφεύγουν από τον πυρήνα και κατευθύνονται προς το σύστημα εξαγωγής, που ονομάζεται εκτροπέας (divertor).
Όταν τα σωματίδια φτάνουν στον εκτροπέα, προσκρούουν σε μεταλλικές πλάκες, ψύχονται και αναπηδούν. (Τα άτομα που επιστρέφουν βοηθούν στην τροφοδοσία της αντίδρασης σύντηξης.)
Ωστόσο, τα πειράματα αποκάλυπταν σταθερά μια απροσδόκητη ανισορροπία. Πολύ περισσότερα σωματίδια χτυπούν τον εσωτερικό στόχο του εκτροπέα σε σχέση με τον εξωτερικό.
Το μυστήριο της ανισορροπίας στον εκτροπέα
Αυτή η ανομοιόμορφη κατανομή είναι κάτι παραπάνω από μια απλή περιέργεια. Έχει σημαντικές επιπτώσεις για τους μελλοντικούς αντιδραστήρες σύντηξης. Οι μηχανικοί πρέπει να γνωρίζουν ακριβώς πού θα καταλήξουν τα σωματίδια, προκειμένου να σχεδιάσουν εκτροπείς που να αντέχουν σε ακραία θερμότητα και καταπόνηση.
Μέχρι τώρα, η επικρατέστερη εξήγηση επικεντρωνόταν στις διασταυρούμενες διολισθήσεις (cross-field drifts), οι οποίες περιγράφουν πώς τα σωματίδια κινούνται πλευρικά κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου μέσα στον εκτροπέα.
Όμως, οι προσομοιώσεις που περιλάμβαναν μόνο αυτό το φαινόμενο απέτυχαν να αναπαράγουν τα όσα έδειχναν τα πειράματα, εγείροντας αμφιβολίες για το αν τα μοντέλα θα μπορούσαν να καθοδηγήσουν αξιόπιστα τον σχεδιασμό των αντιδραστήρων.
Η περιστροφή του πλάσματος αναδεικνύεται ως ο παράγοντας που έλειπε
Νέα έρευνα διαπίστωσε ότι η τοροειδής περιστροφή του πλάσματος, δηλαδή η κυκλική κίνηση γύρω από το tokamak, επηρεάζει καθοριστικά την τελική θέση των σωματιδίων στο σύστημα εξαγωγής. Το εύρημα αυτό προσφέρει ένα σημαντικό κομμάτι στο παζλ της διαχείρισης πλάσματος.
Χρησιμοποιώντας τον κώδικα μοντελοποίησης SOLPS-ITER, οι ερευνητές προσομοίωσαν τη συμπεριφορά των σωματιδίων υπό διάφορες συνθήκες.
Τα αποτελέσματά τους, που δημοσιεύθηκαν στο Physical Review Letters, έδειξαν ότι οι προσομοιώσεις ταυτίζονταν με τις μετρήσεις του πραγματικού κόσμου μόνο όταν συμπεριλαμβανόταν η περιστροφή του πλάσματος μαζί με τις πλευρικές διολισθήσεις.
Αυτή η ευθυγράμμιση μεταξύ μοντέλων και πειραμάτων είναι απαραίτητη για τον σχεδιασμό συστημάτων σύντηξης που θα μπορούν να λειτουργούν αξιόπιστα έξω από το εργαστήριο.
«Υπάρχουν δύο συνιστώσες στη ροή ενός πλάσματος», δήλωσε ο Eric Emdee, συνεργαζόμενος ερευνητής φυσικός στο Εργαστήριο Φυσικής Πλάσματος του Πρίνστον (PPPL) του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE) και κύριος συγγραφέας της μελέτης.
«Υπάρχει η διασταυρούμενη ροή (cross-field flow), όπου τα σωματίδια διολισθαίνουν πλευρικά κατά μήκος των γραμμών του μαγνητικού πεδίου, και η παράλληλη ροή, όπου ταξιδεύουν κατά μήκος αυτών των γραμμών. μΠολλοί υποστήριζαν ότι η διασταυρούμενη ροή ήταν αυτή που δημιουργούσε την ασυμμετρία. Αυτή η εργασία δείχνει ότι η παράλληλη ροή, η οποία καθοδηγείται από τον περιστρεφόμενο πυρήνα, έχει εξίσου μεγάλη σημασία».
Οι προσομοιώσεις ταυτίζονται επιτέλους με την πραγματικότητα
Για να ελέγξει την ιδέα της, η ομάδα μοντελοποίησε τη συμπεριφορά του πλάσματος στο tokamak DIII-D στην Καλιφόρνια.
Έτρεξαν τέσσερα διαφορετικά σενάρια, ενεργοποιώντας και απενεργοποιώντας τις πλευρικές διολισθήσεις και την περιστροφή του πλάσματος. Τα αποτελέσματα ήταν σαφή. Καμία από τις προσομοιώσεις δεν ταυτιζόταν με τα πειραματικά δεδομένα μέχρι να προστεθεί ένα κρίσιμο συστατικό: η μετρούμενη ταχύτητα περιστροφής του πυρήνα, ύψους 88.4 χιλιομέτρων το δευτερόλεπτο.
Μόλις συμπεριλήφθηκαν και τα δύο φαινόμενα, τα μοντέλα αναπαρήγαγαν με ακρίβεια την ανομοιόμορφη κατανομή των σωματιδίων που παρατηρήθηκε στα πραγματικά πειράματα.
Η συνδυασμένη επίδραση της πλευρικής διολίσθησης και της περιστροφής αποδείχθηκε πολύ ισχυρότερη από ό,τι ο κάθε παράγοντας μεμονωμένα.
Σχεδιάζοντας συστήματα σύντηξης για πραγματικές συνθήκες
Τα ευρήματα αναδεικνύουν μια σημαντική σύνδεση ανάμεσα στον περιστρεφόμενο πυρήνα του πλάσματος και τη συμπεριφορά των σωματιδίων στις παρυφές του συστήματος. Η ακριβής καταγραφή αυτής της σχέσης θα είναι απαραίτητη για την πρόβλεψη του τρόπου με τον οποίο κινούνται τα σωματίδια της «εξάτμισης» στους μελλοντικούς αντιδραστήρες.
Οι καλύτερες προβλέψεις σημαίνουν καλύτερη μηχανική. Με μια σαφέστερη κατανόηση του πού θα συγκεντρωθεί η θερμότητα και τα σωματίδια, οι σχεδιαστές μπορούν να κατασκευάσουν εκτροπείς που θα είναι πιο ανθεκτικοί και καταλληλότεροι για τις πραγματικές συνθήκες λειτουργίας.
Εκτός από τον Emdee, η ερευνητική ομάδα περιλάμβανε τους Laszlo Horvath, Alessandro Bortolon, George Wilkie και Shaun Haskey από το PPPL, τον Raúl Gerrú Migueláñez από το Τεχνολογικό Ινστιτούτο της Μασαχουσέτης (MIT) και τον Florian Laggner από το Πολιτειακό Πανεπιστήμιο της Βόρειας Καρολίνας.
Αυτή η εργασία υποστηρίχθηκε από το Γραφείο Επιστημών Ενέργειας Σύντηξης του Υπουργείου Ενέργειας των ΗΠΑ (DOE), χρησιμοποιώντας την Εθνική Εγκατάσταση Σύντηξης DIII-D, μια εγκατάσταση χρηστών του Γραφείου Επιστημών του DOE, υπό τις επιχορηγήσεις DE-AC02-09CH11466, DE-FC02-04ER54698, DE-SC0024523, DE-SC0014264 και DE-SC0019130.