Innan jag underhåller alla intresserade med detaljer angående min egen forskning, vill jag delge er vad Livermore med närområde har att erbjuda. Själva Livermore är en stad med 90 000 invånare, och ligger ca 45 minuter öster om San Francisco, strax efter kommunaltåget BARTs sista station. Staden ligger i en dal i området Tri-Valley – döpt efter dalarna Livermore Valley, Amador Valley, och San Ramon Valley – och har ett varmt klimat, typiskt är att här är 10-15C varmare än i San Francisco eller Berkeley. Strax norr om Livermore ligger berget Mount Diablo, som är ett populart mål bland lokalbeforkningen. Stadens historia sträcker sig tillbaka till 1800-talets mitt, då guldruschen lockade mängder av lycksökare till Kalifornien, och då Joaquin ”verklighetens Zorro” Murrieta var verksam i Livermore-Pleasanton trakten. Staden har under de senaste åren sett mycket utveckling, men är märkbart mer konservativ och rural än städerna väster om Amador-passet. Mycket av regionens ekonomi är centrerad runt Lawerence Livermore National Laboratory, men är också känt som ”Wine Country” med flera stora vingårdar. Dessutom huserar Livermores ”Fire station #6” Hundraårslampan, The Centennial Bulb, världens längst varaktigt brinnande glödlampa som brunnit kontinuerligt över 110 år.
Livermore ligger drygt tre timmars körväg från den världsberömda nationalparken Yosemite Valley, som jag varmt rekommenderar man besöker om man har vägarna förbi. Även San Francisco, San Jose, Berkeley, Stanford, och Muir Woods ligger inom en timmes körväg och är lämpliga dagsutflykter. Över veckoslut kan man även besöka vingårdar i Sonoma och Napa, uråldriga Redwood-skogar i norra Kalifornien, Mount Shasta, kusten längs den legendariska ”Highway 1”, Big Bear Lake, Joshua Tree, med flera. Även de otaliga regionala parkerna, som jag tack vare coronaviruset fått bekanta närmare bekantskap med än annars, är pittoreska resmål för en eftermiddag.
De otaliga resmålen och tidsfördriven till trots har jag spenderat största delen av min tid med att komplettera en ny molekylär fluidmodel som kommer användas vid simulationer av fusionsplasman. En av de största utmaningarna med fusionsenergi är att innesluta den energiproducerande plasmakärnan, som är över hundra miljoner grader het – över sex gånger hetare än solens kärna – i en behållare som kan uthärda de extrema temperaturer som fusionsenergi förutsätter. I magnetisk fusion utnyttjar man ett magnetfält som växelverkar med den laddade plasman – temperaturen är hög nog att fullständigt jonisera vätgasen som fungerar som bränsle och skapa en laddad, kvasineutral fluid – för att ”hänga upp” plasman i en toroidal vakumkammare som kallas ”tokamak”. I all sin korthet försöker fusionsforskare fånga en stjärna i en donitsformad burk. Ungefär så. Fördelen med fusionsenergi över konventionella metoder är många: hög energidensitet, inget högradioaktivt avfall med lång halveringstid (avfallet är heliumgas), en reaktion som inte kan resultera i allvarliga olyckor, och ett bränsle som kan framställas från litium och havsvatten.
Istället präglas dock fusionsreaktorer av svåra tekniska utmaningar som måste lösas. Själv undersöker jag den delen av plasman som växelverkar med tokamaken: den miljontals grader varma plasman måste kylas och kontrolleras innan den når kammarens vägg – något som är oundvikligt för att kunna föra bort heliumaskan ur plasmakärnan. Detta resulterar i en temperaturskala som varierar från plasmans miljoner grader till kammarväggens temperatur som ligger nära rumstemperatur – allt detta inom mindre än en meter. Från en fysikers perspektiv är detta ett intressant problem, eftersom temperaturskalan inkluderar allt från molekyl- och atomfysik till plasmafysik – som dessutom växelverkar sinsemellan – i ett och samma experiment.
Under mitt år vid LLNL har jag specifikt undersökt molekylers roll i fusionsplasman. I tokamak-reaktorer avsöndras atomer och molekyler, som härstammar från den på plasmakammarens väggar infallande plasman, från reaktorns väggar. Denna slutna loop kontrollerar partikelbalansen, och påverkar energibalansen, i fusionsreaktorn, vilket betyder att vi måste förstå vilka processer som är viktiga för att kunna kontrollera plasmans konfiguration. För att kunna besvara denna fråga har jag utvecklat ett python-program, CRUMPET, som applicerar en så kallad ”collisional-radiative model”, CRM, som beaktar de otaliga reaktioner samt molekylära- och atomära konfigurationer som har identifierats. I samarbete med FESP-gruppen vid LLNL har jag även implementerat CRUMPET i simulationsprogrammet UEDGE, som utvecklats och upprätthålls av LLNL. UEDGE är använder en fluid modell som är mycket effektiv för att snabbt lösa icke-linjära problem med utmärkt precision, men endast kan appliceras under omständigheter då fluidapproximationen av gaser är giltig. Utanför fluidapproximationens giltighet bör kinetiska simulationer, som är utmärkta för linjära problem, användas. Dock blir kinetiska simulationer mycket långsamma, och kräver iterativa metoder för att lösa icke-linjära problem, då gasen kan beaktas som fluid.
Således är bägge metoder nödvändiga under olika förhållanden. Den centrala frågan mitt arbete försöker besvara är: under vilka omständigheter ska vilken modell användas, vad är skillnaden mellan modellerna, och hur påverkar eventuella skillnader fusionsplasman. Under mitt år vid LLNL har jag gjort märkbara framsteg i besvarandet av dessa frågor, och mina resultat kommer publiceras i konferensen ”International Conference on Plasma-Surface Interactions in Controlled Fusion Devices” konferenspublikation ”Nuclear Materials and Energy” under 2020. Det utförda arbete kommer, dessutom, fungera som en utmärkt språngbräda för min doktorsavhandling och fortsatta publikationer, och har etablerat mig som en samarbetspartner i de amerikanska fusionskretsarna.
