Simuleringer af magnetisk indesluttede plasmaer afslører en selvregulerende stabiliseringsmekanisme

Den varme ioniserede gas kaldet plasma er indespærret i en bagelformet tokamak af et stærkt magnetfelt, hvoraf en del genereres af en stærk elektrisk strøm, der strømmer gennem plasmaet. Periodisk, der opstår en savtandsustabilitet. Det får den centrale plasmatemperatur til at falde brat og derefter genoprettes i et savtandsmønster. Ustabiliteten begrænser, hvor meget strøm der kan koncentreres i midten af ​​plasmaet. Imidlertid, der er typer af tokamak plasmaer, for hvilke en hidtil ukendt mekanisme, kaldet magnetisk fluxpumpning, begrænser strømmen i plasmacentret, så den bliver lige under savtandstærsklen. Forskere var forundrede over, hvordan denne selvregulerende mekanisme virker. Resultaterne af meget komplekse numeriske simuleringer tyder nu på et muligt svar.

Savtandsustabiliteten kan udløse andre problemer, der fører til forringelse eller endda tab af plasmaindeslutning. Dermed, hybridscenarier, hvor magnetisk fluxpumpning forhindrer savtandsustabiliteten, er af interesse. Dette gælder især for fremtidige fusionseksperimenter i stor skala, såsom ITER. For at ekstrapolere tilgængeligheden og egenskaberne af hybride scenarier til ITER, det er vigtigt at forstå fysikken bag magnetisk fluxpumpning. Ved hjælp af omfattende simuleringer, forskere er nu i stand til at finde en mulig forklaring på dette fænomen.

Mekanismen bag den magnetiske fluxpumpning i de numeriske simuleringer fungerer som følger:hvis den centrale strømprofil er flad, og hvis det centrale plasmatryk er tilstrækkeligt højt, en kvasi-udvekslingstilstand udvikles i plasmaets kerne. Kvasi-udvekslingstilstanden genererer en storstilet spiralformet strøm af plasma, der - næsten som en mixer - konstant omrører det centrale plasma. På samme tid, magnetfeltet i plasmakernen deformeres.

Det er her, en dynamo-effekt kommer ind i billedet. Dynamo-effekten spiller en vigtig rolle for mange astrofysiske fænomener samt for den mekanisme, der opretholder Jordens magnetfelt. Den beskriver, hvordan en særlig hvirvlende bevægelse af en elektrisk ledende væske kan forstærke et eksisterende magnetfelt. I tilfælde af Jordens magnetfelt, væsken er den flydende del af Jordens jernkerne. I tilfældet med hybrid tokamak-scenariet, væsken er det varme plasma i midten af ​​tokamak. I sidstnævnte tilfælde, det er gennem en dynamoeffekt, at det spiralformede plasmaflow og den spiralformede deformation af magnetfeltet kombineres for at give en negativ spænding, der holder den centrale strøm flad. Ved at holde strømmen i plasmacentret flad, savtandsustabiliteten forhindres.

De numeriske simuleringer forklarer også, hvordan denne magnetiske fluxpumpning regulerer sig selv:Kvasi-udvekslingstilstanden er kendt for at fungere bedst, hvis den centrale strøm er ved en vis tærskel - som falder sammen med tærsklen for savtandsustabiliteten. Når fluxpumpemekanismen bliver for stærk, det svækker quasi-udvekslingstilstanden og derfor sit eget drev. Sådan begrænses styrken af ​​fluxpumpningen, så den holder centralstrømmen lige under tærsklen for savtandsustabiliteten.