Ny model for plasmastabilitet kan hjælpe forskere med at forudsige og undgå forstyrrelser

Fysikere ved det amerikanske energiministeriums (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hjulpet med at udvikle en ny computermodel af plasmastabilitet i doughnut-formede fusionsmaskiner kendt som tokamaks. Den nye model inkorporerer nylige resultater indsamlet fra relaterede forskningsindsatser og forenkler den involverede fysik, så computere kan behandle programmet hurtigere. Modellen kan hjælpe forskere med at forudsige, hvornår et plasma kan blive ustabilt og så undgå de underliggende forhold.

Denne undersøgelse blev rapporteret i et papir offentliggjort i Plasmas fysik i februar 2017, og modtog støtte fra DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).

Plasmastabilitetskoden blev delvist skrevet af Jack Berkery, en forsker i afdelingen for anvendt fysik og anvendt matematik ved Columbia University, som har været tilknyttet PPPL i næsten 10 år. Han arbejder på dette projekt med Steve Sabbagh, en seniorforsker og adjungeret professor i anvendt fysik ved Columbia, som har samarbejdet med PPPL i næsten tre årtier. Både Berkery og Sabbagh er en del af Columbia-gruppen på PPPL.

Den nye forskning er den seneste i fysikernes samlede indsats for at udvikle et større og mere dygtigt plasmastabiliserende computerprogram kendt som Disruption Event Characterization and Forecasting (DECAF)-koden, der vil forudsige og hjælpe med at undgå forstyrrelser.

Inden for tokamak plasmaer, mange kræfter balancerer for at skabe en stabil ligevægt. En kraft er et ekspanderende tryk skabt af plasmaets iboende egenskaber - en suppe af elektrisk ladede partikler. En anden kraft frembringes af magneter, der begrænser plasmaet, forhindrer den i at røre tokamak'ens indre vægge og køle ned.

Plasmafysikere og ingeniører ønsker, at plasmaet skal være under så meget magnetisk tryk som muligt, fordi højt tryk betyder, at plasmapartiklerne interagerer hyppigere, øger både chancerne for, at der opstår fusionsreaktioner, og mængden af ​​varme produceret af tokamak. Tidligere forskning udført af Berkery og Sabbagh på maskiner, herunder National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) på PPPL har vist, at højt plasmatryk kan holdes på en stabil måde, hvis andre egenskaber ved plasmaet, ligesom den måde, den roterer på, har særlige egenskaber.

"Ideelt set du ønsker at betjene tokamaks ved højt tryk, fordi for at få en god fusionsydelse, du vil have det højeste tryk, du kan, " fortsatte Berkery. "Desværre, når du gør det, der kan opstå ustabilitet. Så hvis du kan finde en måde at stabilisere plasmaet på, så kan du betjene din tokamak ved et højere tryk."

Det opdaterede program blev skrevet for at forudsige de forhold, der bedst ville indeholde højtryksplasmaet. Programmet, selvom, er kun én komponent i DECAF-koden, som omfatter mange moduler, som hver overvåger forskellige aspekter af et plasma i et forsøg på at bestemme, hvornår plasmaet bliver ustabilt. "Årevis, vi har undersøgt, hvilke forhold der fører til ustabilitet, og hvordan vi kan forsøge at undgå disse tilstande, " sagde Berkery.

Koden indsamler information, der inkluderer plasmadensitet, temperatur, og formen af ​​plasmaets rotation. Den beregner derefter, hvilke kombinationer af disse forhold, der producerer et stabilt plasma, samtidig afsløre, hvilke kombinationer af tilstande, der frembringer et ustabilt plasma. Den nye kode leder specifikt efter tegn på en modkørende ustabil tilstand kendt som en resistiv vægtilstand. Et plasma går ind i denne tilstand, når kræfter, der får plasmaet til at udvide sig, er stærkere end de kræfter, der begrænser plasmaet. Plasmaens iboende magnetiske felter udvider sig derefter udad og rammer det indre af tokamakens vægge.