For første gang:Realistisk simulering af plasmakantinstabilitet i tokamaks

Kantlokaliserede tilstande, ELMs for korte, er en af ​​de forstyrrelser i plasmakonklusionen, der er forårsaget af interaktionen mellem de ladede plasmapartikler og det begrænsende magnetfeltbur. Under ELM -arrangementer, kantplasmaet mister sin indeslutning i kort tid og smider periodisk plasmapartikler og energi udad på karvæggene. Typisk, en tiendedel af det samlede energiindhold kan således skubbes brat ud. Mens den nuværende generation af mellemstore fusionsenheder kan klare dette, store enheder som ITER eller et fremtidigt kraftværk ville ikke kunne modstå denne belastning.

Eksperimentelle metoder til at dæmpe, undertrykke eller undgå ELM'er er allerede blevet udviklet med succes i nuværende fusionsenheder (se PI 3/2020). Efter omfattende tidligere arbejde, det har nu været muligt for første gang ved hjælp af beregningssimuleringer at identificere den udløser, der er ansvarlig for den eksplosive begyndelse af disse kantinstabiliteter og at rekonstruere forløbet af flere ELM -cykler - i god overensstemmelse med eksperimentelt observerede værdier. En publikation accepteret i det videnskabelige tidsskrift Kernefusion forklarer denne vigtige forudsætning for at forudsige og undgå ELM -ustabilitet i fremtidige fusionsenheder.

ELM -ustabiliteten opbygges efter en stille fase på ca. 5 til 20 millisekunder - afhængigt af de ydre forhold - indtil på et halvt millisekund sænkes mellem 5 og 15 procent af energien, der er lagret i plasmaet, på væggene. Derefter genoprettes ligevægten, indtil det næste ELM -udbrud følger.

Plasmateoretikerne omkring første forfatter Andres Cathey fra IPP, der kommer fra flere laboratorier i det europæiske fusionsprogram EUROfusion, var i stand til at beskrive og forklare de komplekse fysiske processer bag dette fænomen i detaljer:som et ikke-lineært samspil mellem destabiliserende effekter-den stejle stigning i plasmatryk ved plasmakanten og stigningen i strømtætheden-og den stabiliserende plasmaflow. Hvis den varmeeffekt, der tilføres plasmaet, ændres i simuleringen, det beregnede resultat viser den samme effekt på ELM'ernes gentagelseshastighed, dvs. frekvensen, som en forøgelse af varmeeffekten i et plasmaforsøg på ASDEX Upgrade tokamak:eksperiment og simulering er i overensstemmelse.

Selvom processerne finder sted på meget kort tid, deres simulering kræver en stor computerindsats. Dette skyldes, at simuleringen skal løse op i små beregningstrin både det korte ELM -nedbrud og den lange udviklingsfase mellem to ELM'er - et beregningsproblem, der kun kunne løses med en af ​​de hurtigste supercomputere, der i øjeblikket er tilgængelige.

Til simuleringerne blev JOREK -koden brugt, en ikke-lineær kode til beregning af tokamak-plasmaer i realistisk geometri, som udvikles i europæisk og internationalt samarbejde med stærke bidrag fra IPP.