Undgå forstyrrelser, der standser fusionsreaktioner

Inde i et fusionseksperiment, hvor forskere studerer reaktionerne i hjertet af vores sol, forstyrrelser-storstilet ustabilitet i plasmaet-forårsager hurtigt og fuldstændigt tab af magnetisk indeslutning. Modeller af fusionsplasmaer kombinerer nu avancerede numeriske metoder med højtydende computermuligheder. Resultatet? Forskere kan undersøge årsagerne til og dynamikken i forstyrrelser i enestående detaljer.

Forstyrrelser udgør en af ​​de mest betydningsfulde udfordringer ved design af en fusionsreaktor. Under disse begivenheder, elektriske strømme, der opstår i væggene, skaber betydelige kræfter, der kan beskadige tokamak -skibets vægge. Nu, forskere kan modellere disse strømme i en fuldt tredimensionel geometri, med realistiske plasmaparametre. Resultaterne kan føre til strategier, der undgår og afbød forstyrrelser i fremtidige enheder i reaktorstørrelse.

Tokamak er et effektivt design til at begrænse overophedede plasmaer med magnetfelter, fordi meget af magnetfeltet produceres af elektriske strømme i plasmaet. Denne fordel kan blive et ansvar, fordi forstyrrelser i plasmastrømmen kan reducere magnetfeltet i en selvforstærkende cyklus, forårsager hurtigt tab af indespærring. I øvrigt, disse forstyrrelser påfører stærke elektromagnetiske kræfter og varmebelastninger, udgør en stor udfordring for vellykket drift af en tokamak -reaktor.

Forskere udfører nu fuldt tredimensionelle simuleringer af storstilet ustabilitet i NSTX og DIII-D tokamaks. Disse simuleringer bruger M3D-C1-koden, som modellerer plasmaet som en elektrisk ledende væske. Nye high-fidelity-funktioner i koden viser de elektriske "halo" -strømme, der kan føre til forstyrrelser, der strømmer ind i og gennem tokamakens vægge. Og yderligere simuleringer af lodrette forskydningshændelser, som ofte forårsager eller ledsager afbrydelser, viser, at voldelige sekundære ustabilitet kan udvikle sig, når plasmaet skubbes mod karvæggen.

Disse sekundære ustabilitet fører generelt til en tredimensionel fordeling af halostrøm, som består af symmetriske og asymmetriske komponenter. Asymmetriske strømme kan producere kræfter, der er særligt skadelige for tokamak -fartøjet. Heldigvis, i disse simuleringer forbliver den asymmetriske komponent lokaliseret og stærkt subdominant for den symmetriske komponent, selv i tilfælde, der udviser en stærkt voksende sekundær ustabilitet. Simuleringerne viser også, at afkøling af plasmaet før eller under den lodrette forskydningshændelse yderligere kan undertrykke de ustabiliteter, der fører til asymmetrisk strøm. Fremtidens arbejde vil modellere forstyrrelser, der er initieret af andre ustabilitet, hvor den asymmetriske komponent i halostrømmene forventes at være større.