Turbulence and transport at the boundary of fusion plasmas

Det har i de siste 60 år pågått et storstilt internasjonalt forskningsprosjekt med det mål å utnytte kjerneenergi ved fusjon av hydrogenisotoper - stjernenes energikilde - til miljøvennlig produksjon av elektrisk energi. Den mest lovende metoden for kontrollert termonukleær fusjon baserer seg på magnetisk innesperring av svært varme gasser som befinner seg i plasmatilstanden. Et stort problem ved dagens eksperimenter er betydelige tap av partikler og varme på tvers av magnetfeltet til reaktorveggene på grunn av turbulente strømninger. Dette forårsaker uønsket nedkjøling av plasmaet, økt erosjon av kammerveggene og utslipp av urenheter fra veggene til plasmaet. Det meste av denne transporten skyldes bevegelse av koherente filamentstrukturer med høy partikkeltetthet og mye varme, som fører til et høyt fluktuasjonsnivå i randen av fusjonseksperimenter. Dette prosjektet hadde som mål å undersøke de fysiske mekanismene som forårsaker den turbulensdrevne transporten av partikler og varme i magnetiserte plasma, identifisere de statistiske egenskapene ved fluktuasjonene, samt muligheter for å kontrollere denne transporten. Prosjektet har inkludert samarbeid med Danmarks Tekniske Universitet, Massachusetts Institute of Technology (MIT), National Fusion Research Institute (NFRI) i Sør-Korea, Swiss Plasma Center, Universitetet i Innsbruck og Universitetet i Oslo. Studiene er utført ved hjelp av stokastisk modellering, numeriske beregninger og analyse av måledata fra Alcator C-Mod eksperimentet ved MIT, KSTAR ved NFRI og TCV ved Swiss Plasma Center. Avanserte statistiske metoder er benyttet for å finne fordelingen av amplituder, ventetider, størrelse og hastigheter for filamentstrukturer. Analytisk teori er utviklet og numeriske beregninger utført for å kartlegge filamentenes dynamikk og transportegenskaper. En ny stokastisk modell har blitt utviklet som gir en fullstendig beskrivelse av fluktuasjonene i randen av fusjonsplasma. Modellen beskriver hvor sterke fluktuasjoner som forekommer i plasmaet og hvor ofte disse forekommer. Prediksjoner av den stokastiske modellen inkluderer også hvor hyppig plasmaparametrene krysser en gitt terskelverdi og hvor lenge de er over denne verdien. Disse egenskapene er grunnleggende for å beskrive vekselvirkninger mellom plasmaet og materielle vegger i en reaktor. Både antagelsene bak den stokastiske modellen og prediksjonene fra den er bekreftet med måledata fra fusjonseksperimentene. De samme statistiske egenskapene gjelder for alle undersøkte eksperimentelle kontrollparametre og for alle maskiner i studiet. Dette er bevis på universelle egenskaper for de turbulente strømningene. Resultatene fra prosjektet er publisert i ledende vitenskapelige journaler og presentert på de største og viktigst konferansene i fagfeltet.

-

Controlled thermonuclear fusion holds the potential as an unlimited source of clean electrical power. One major obstacle towards this goal is the interaction of hot plasma with material surfaces in the boundary region. With a team of excellent experts, this project will focus on turbulent motions and transport of particles and heat in the edge region of magnetically confined plasmas. The research will provide important knowledge for experiment design and will be published in highly ranked journals. The statistical properties of plasma fluctuations and transport will be derived from dedicated experiments on the Alcator C-Mod tokamak at MIT. Data time series of unprecedented duration will be obtained using sophisticated diagnostics techniques. Advanced statistical methods will be exploited to derive the distributions of amplitudes, waiting times, sizes and velocities of filamentary structures. Measurements at various locations in the boundary region will reveal the spatial asymmetries in turbulence structures and the role of particle motion along the magnetic field to the plasma-facing components. Stochastic modeling of plasma fluctuations will be made and plasma-wall interactions in the boundary region predicted. Analytical theory will be developed and numerical simulations performed to address the dynamical evolution of blob-like structures, which are found to dominate cross-field transport of particles and heat in the plasma edge region. The role of filament size, sheared flows, electromagnetic perturbations and resistivity will be clarified through a systematic parameter scan. Advanced turbulence simulations will be used to investigate the formation of filamentary structures, reveal their shape along the magnetic field, and predict the radial particle density and temperature profiles. Results from this project will advance our knowledge about the boundary of magnetized plasmas and help optimize the design and operation of future fusion experiments and reactors.