Kapsamlı bir deneysel çalışmada, uluslararası bir araştırmacı ekibi, önde gelen türbülans simülasyon kodunun hesaplamalarını benzeri görülmemiş bir dereceye kadar doğruladı. Bu, nükleer füzyon cihazlarındaki çalkantılı taşıma süreçlerini anlamada büyük bir atılımdır.
Çalışma şimdi dergide yayınlandı Doğa İletişimi ve füzyon enerji santrallerinin performansını tahmin etmek için çok önemli bir temel oluşturur.
Gelecekteki füzyon santralleri, hafif atom çekirdeklerini kaynaştırarak kullanılabilir enerji verimli bir şekilde üretmeyi amaçlamaktadır. En gelişmiş yaklaşım – manyetik hapsetme füzyonu – manyetik bir alanda milyonlarca santigrat dereceye ısıtılmış bir gazı olan bir plazmayı bağlar. Bu plazma, çörek şekilli bir vakum odasının içinde duvar teması olmadan asılıdır.
Nükleer füzyon reaksiyonundan salınan enerji sadece elektrik üretimi için değil, aynı zamanda plazma sıcaklığının korunması için de tasarlanmıştır. Süreci sürdürmek için, plazma mümkün olduğunca fazla enerjiyi korumalıdır-araştırmacıların yüksek enerjili bir hapsetme süresi elde etmesi olarak adlandırılan şey.
Güçlü türbülans plazma özelliklerini olumsuz etkiler
Bu hedefe ulaşmak için fizikçiler önce plazmalardaki son derece karmaşık çalkantılı süreçleri anlamalı ve ideal olarak bunları düzenlemenin yollarını bulmalıdır. Bir dereceye kadar, türbülans aslında faydalıdır, çünkü helyum çekirdeğinin – füzyon reaksiyonunun ürünleri – çekirdeğe taze yakıt getirirken plazmanın dışına taşınmasına yardımcı olur. Bununla birlikte, aşırı türbülans enerji hapsetme süresini azaltır, çünkü enerji plazma merkezinden çok hızlı kaçar.
“Bunu bir fincan kahvede bir damla sütle karşılaştırabilirsiniz: bir kaşıkla karıştırırsanız, çalkantılı girdaplar formu ve sıvılar karıştırmadan çok daha hızlı karışır,” diye açıklıyor fizikçi Dr. Klara Höfler, bu fenomeni Munich yakınında Plazma Fiziği Enstitüsü’ne (IPP) (IPP) inceleyen Dr. Klara Höfler.
IPP’den ve Avrupa ve Amerika Birleşik Devletleri’ndeki diğer beş araştırma kurumundan meslektaşları ile birlikte, füzyon plazmalarındaki türbülansı anlamada önemli bir atılım yaptı. Ekip ilk kez deneysel sonuçlar ve bilgisayar simülasyonları arasında kapsamlı bir anlaşma yaptı. Araştırmacılar aynı anda yedi temel plazma türbülans parametresini karşılaştırdı – önceki çalışmalardan önemli ölçüde daha fazla.
Yeni çalışma için Höfler, IPP Fusion Cihazı ASDEX yükseltmesinde dünyanın benzersiz teşhis ekipmanını kullandı. Bu, farklı ayarlara sahip iki deşarj sırasında milyonlarca derecelik plazmanın özelliklerini tam olarak ölçmesine izin verdi.
Mikrodalgalar plazmanın ayrıntılı bir görüntüsünü sağlar
Bir gölün sıcaklığını belirlemek istiyorsanız, suya bir termometre yerleştirirsiniz. Füzyon araştırmalarında, plazma sıcaklığı tipik olarak plazmanın kendisi tarafından yayılan mikrodalgalar kullanılarak ölçülür. Bu emisyonlardan elektron sıcaklığındaki dalgalanmalar da türetilebilir.
Ek olarak, plazmaya mikrodalgaları başlatarak, araştırmacılar, elektron yoğunluğundaki dalgalanmalar, yani birim hacim başına elektron sayısı hakkında bilgi çıkarmak için geri saçılmış radyasyonu analiz edebilirler. Bu yaklaşımı kullanarak Höfler ve ekibi hem plazma sıcaklığı hem de plazma yoğunluğundaki dalgalanmaları karakterize edebildi.
İki tanılama yöntem merkezi bir rol oynadı:
- Plazma yoğunluğundaki dalgalanmaları ölçmek için Doppler yansıtma. ASDEX Upggred’in teşhis süitinden üç yansıtma kullanan ekip, farklı yerlerde çeşitli boyutlardaki girdapları analiz etti.
- Elektron sıcaklığı dalgalanmalarının çok kesin ölçümleri için ABD’deki Massachusetts Teknoloji Enstitüsü’nden (MIT) bir korelasyon-elektron-siklotron-emisyon (CECE) radyometresi.
Beş boyutlu faz boşluğundaki karşılaştırmalı plazma simülasyonları, IPP’de geliştirilen ve plazmalar içindeki türbülanslı süreçleri sayısal olarak modellemek için küresel olarak tanınan gen kodu kullanılarak gerçekleştirildi. Bu fenomenlerin karmaşıklığı o kadar büyüktür ki, bu çalışma için kullanılan süper bilgisayarlar, gözlemlenen türbülansı sadece birkaç milisaniyede modellemek için toplam iki aylık hesaplama süresi gerektirmiştir.
Deneysel ve teorik fizikçiler arasında yakın işbirliği burada önemliydi. Gen hesaplamalarının türbülansı doğru bir şekilde yeniden üretmesi yeterli değildir. Ayrıca, araştırmacıların yıllarca süren çalışmalardan sonra elde ettikleri ayrıntılı ölçüm sürecini simüle etmek zorundalar. Sadece bu şekilde deney ve sayısal hesaplama arasında karşılaştırılabilirlik tespit edilebilir.
Gen ayrıca beklenmedik deneysel sonuçları yeniden üretir
Höfler, “Simülasyon sonuçlarını aldığımda, tüm deneysel verilerle ne kadar iyi eşleştiklerine gerçekten şaşırdım.” Sezgisel olarak beklenmeyen fenomenler bile gen tarafından doğru bir şekilde tahmin edildi.
Bir örnek: Araştırma ekibi, ASDEX yükseltmesinde incelenen iki plazma deşarjı için farklı sıcaklık profilleri belirledi. Deşarj 1’de, deşarj 2’ye kıyasla daha dik sıcaklık gradyanları uygulandı. Beklendiği gibi, deşarj 1 deşarj 2’den daha büyük sıcaklık dalgalanmaları sergiledi. Bununla birlikte, tamamen beklenmedik bir şekilde, yoğunluk dalgalanmaları ters yönde davrandı – başlangıçta açıklanamayan bir sonuç. Yine de, gen simülasyonları bu davranışı tam olarak yeniden üretti.
Höfler, “Gene’nin iki plazma deşarjının gerçek davranışını güvenilir bir şekilde tahmin ettiğini kanıtladık.” Füzyon araştırması için bu, simülasyonların mümkün olan en yüksek enerji hapsetme süresini elde etmek için plazma senaryolarını optimize etmek için kullanılabileceği anlamına gelir. Bir füzyon cihazının dijital ikiz kavramı artık daha somuttur ve reaktör plazma performansının daha iyi tahminlerine izin verir.
