Forsøger at tæmme plasmaer i fusion

Kernefusion, frigivelse af energi, når lette atomkerner smelter sammen, fremhæves som en kulstoffri løsning på globale energikrav. En mulig vej til atomfusion er inertial indespærring. Nu har et KAUST-ledet team modelleret den komplekse strøm af plasma, der kan forekomme i en sådan fusionsreaktor.

Inertial indeslutning involverer affyring af flere kraftige laserstråler mod en brintpellet fra mange retninger, som forårsager en implosionschokbølge, der opvarmer målet til temperaturer, der er høje nok til at skabe et plasma - en sky af ladede partikler - og starte fusion. Pelleten skal implodere symmetrisk, men små forskelle i laserstrålernes effekt skaber plasma med forskellig temperatur og tæthed, som flyder forskelligt og skaber ustabilitet i brændstoffet.

Ph.d. studerende Yuan Li og hans vejleder Ravi Samtaney fra KAUSTs Mechanical Engineering-program og Vincent Wheatley fra University of Queensland, Australien, brugte en flydende model for plasmadynamik til at undersøge udviklingen af ​​en bestemt type ustabilitet kaldet Richtmyer – Meshkov ustabilitet (RMI).

RMI starter som små forstyrrelser mellem områder af impulsivt accelererende væsker med høj og lav densitet. Forstyrrelserne vokser oprindeligt lineært med tiden; dette efterfølges af et ikke -lineært regime med dannelse af bobler af den lette væske, der trænger ind i den tunge og med pigge af den tunge væske ind i den lette. Til sidst udvikler dette sig til turbulent blanding, hvilket er skadeligt for at opnå det varme sted i midten af ​​implosionen.

Li, Samtaney og Wheatley undersøgte numerisk RMI i tilfælde af et konvergerende cylindrisk stød, der interagerer med to grænseflader, der adskilte væsker med tre tætheder. Tidligere forskning viste, at anvendelse af et magnetfelt reducerer den temperatur, der kræves til antændelse og reducerer ustabilitet. Teamet undersøgte ændringer i strømningsfeltet under påvirkning af et magnetfelt formet som en sadel; en topologi, der tidligere blev identificeret som den mest effektive.

Ved at simulere dette system med forskellige forhold mellem tætheder mellem de tre væsker og forskellige magnetfeltintensiteter, teamet bekræftede, at det sadelformede magnetfelt faktisk kunne reducere ustabiliteten. Imidlertid, de viste, at omfanget af undertrykkelsen varierer på grænsefladen:om det var let til tungt eller tungt til let. Dette fører igen til en usymmetrisk vækst af forstyrrelserne. Graden af ​​denne asymmetri stiger med stigende magnetfeltstyrke.

"Magnetfeltet på sadlen undertrykker RMI; det bryder også flowsymmetrien, " forklarer Samtaney. "Symmetri er meget vigtig for implosionen for at opnå høj temperatur og tæthed."

"Vi håber derefter at kunne bruge en mere avanceret matematisk model af støddrevne ustabilitet i inertial indeslutningsfusion, der behandler ioner og elektroner som separate væsker, "siger Samtaney.