Effect of induced electric fields on turbulent transport in fusion plasmas

Vårt moderna samhälle är beroende av energi. Dagens energikällor är huvudsakligen fossila bränslen vars förbränning genererar växthusgaser och det finns en växande oro för deras påverkan på miljön. Fusionsenergi är ett säkert och miljövänligt alternativ med många viktiga fördelar - fusionsreaktorer är av sin natur säkra och deras bränsle består av vanligt vatten samt litium vilket det finns rikliga resurser av, förbränningen ger inga utsläpp av växthusgaser och avfall från fusionsreaktorer är dessutom inte en börda för framtida generationer. Fusion är solens och stjärnornas energikälla, och kan därmed sägas vara källan till allt liv på jorden. Emellertid är energiproduktion genom fusion en komplex process med flera vetenskapliga och tekniska utmaningar som måste lösas innan vi kan bygga reaktorer som är ekonomiskt lönsamma. Eftersom fusionsreaktionen kräver extremt höga temperaturer är energiproduktion genom fusion en vetenskaplig och teknisk utmaning. Bränslet innesluts i ett magnetfält så att den hetaste regionen ("plasma-kärnan") inte kommer i kontakt med de omslutande väggarna. För att driva fusionsplasmaexperiment effektivt måste vi förstå och kontrollera den transport av partiklar och värme som sker mellan kärnan och plasmats kant. Transport av partiklar och värme i fusionsplasmor orsakas delvis av kollisioner mellan de olika plasmapartiklarna, men främst av turbulens driven av småskaliga fluktuationer, s.k. mikroinstabiliteter. En av de viktigaste teoretiska utmaningarna inom fusionsforskningen är att förstå och ge en sådan beskrivning av den turbulenta transporten, att den även kan förklara viktiga transportfenomen och därigenom möjliggöra pålitliga förutsägelser för framtida fusionsreaktorer. Plasmaturbulens kan studeras med hjälp av s.k. gyrokinetiska modeller och simuleringar. Dessa simuleringar klarar i många fall av att reproducera den experimentellt observerade transporten väl, men har samtidigt brister vilka medför att det i slutändan ändå saknas en heltäckande och tillförlitlig beskrivning av den turbulenta transporten. Som ett exempel så förutspår nuvarande gyrokinetiska simuleringar inga mikroinstabiliteter i kärnan av fusionsplasmorna och därmed heller ingen transport, men detta stämmer inte överens med vad som observeras experimentellt. I det föreslagna projektet kommer jag att studera effekten av ett fysiskt fenomen som tidigare inte beaktats vid gyrokinetiska simuleringar, på mikroinstabiliteter och turbulent transport. Närmare bestämt effekten av det inducerade elektriska fält som används för att driva en ström inuti fusionsplasmat. Vi förväntar oss att resultaten från projektet kan leda till bättre överensstämmelse mellan transportsimuleringar och experimentella observationer och på så sätt avsevärt förbättra vår förmåga att förutspå transporten. Utöver dess praktiska betydelse för fusionsforskningen, kommer den erhållna kunskapen fördjupa vår förståelse för plasmaturbulens inte bara i fusionsexperiment utan även under många andra förhållanden, inklusive astrofysikaliska plasmor.

Participants

Istvan Pusztai (contact)

Forskarassistent vid Nuclear Engineering

Funding

Swedish Research Council (VR)

Funding years 2012–2015

More information

Created

2015-02-16