Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben geholpen bij de ontwikkeling van een nieuw computermodel van plasmastabiliteit in donutvormige fusiemachines die bekend staan ​​als tokamaks. Het nieuwe model bevat recente bevindingen van verwante onderzoeksinspanningen en vereenvoudigt de betrokken fysica, zodat computers het programma sneller kunnen verwerken. Het model kan wetenschappers helpen te voorspellen wanneer een plasma instabiel kan worden en vervolgens de onderliggende omstandigheden te vermijden.

Dit onderzoek werd gerapporteerd in een paper gepubliceerd in Fysica van plasma's in februari 2017, en ontving financiering van het DOE's Office of Science (Fusion Energy Sciences).

De plasmastabiliteitscode is gedeeltelijk geschreven door Jack Berkery, een onderzoekswetenschapper bij de afdeling Toegepaste Natuurkunde en Toegepaste Wiskunde van Columbia University die al bijna 10 jaar verbonden is aan PPPL. Hij werkt aan dit project samen met Steve Sabbah, een senior onderzoeker en adjunct-hoogleraar toegepaste natuurkunde aan Columbia die al bijna drie decennia samenwerkt met PPPL. Zowel Berkery als Sabbagh maken deel uit van de Columbia-groep bij PPPL.

Het nieuwe onderzoek is het laatste in de gecombineerde inspanning van de natuurkundigen om een ​​groter en capabeler plasma-stabiliserend computerprogramma te ontwikkelen dat bekend staat als de Disruption Event Characterization and Forecasting (DECAF)-code die verstoringen zal voorspellen en helpen voorkomen.

Binnen tokamak plasma's, veel krachten balanceren om een ​​stabiel evenwicht te creëren. Eén kracht is een uitdijende druk die wordt gecreëerd door de intrinsieke eigenschappen van het plasma - een soep van elektrisch geladen deeltjes. Een andere kracht wordt geproduceerd door magneten die het plasma opsluiten, voorkomen dat het de binnenwanden van de tokamak raakt en afkoelt.

Plasmafysici en ingenieurs willen dat het plasma onder zoveel mogelijk magnetische druk staat, omdat hoge druk betekent dat de plasmadeeltjes vaker interageren, waardoor zowel de kans dat fusiereacties zullen optreden als de hoeveelheid warmte die door de tokamak wordt geproduceerd, toenemen. Eerder onderzoek door Berkery en Sabbagh op machines, waaronder de National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) bij PPPL heeft aangetoond dat hoge plasmadruk op een stabiele manier kan worden beperkt als andere eigenschappen van het plasma, zoals de manier waarop het draait, bepaalde kenmerken hebben.

"Ideaal, u tokamaks onder hoge druk wilt laten werken, omdat u voor goede fusieprestaties je wilt de hoogst mogelijke druk hebben, "Vervolgde Berkery. "Helaas, als je dat doet, instabiliteiten kunnen ontstaan. Dus als je een manier kunt vinden om het plasma te stabiliseren, dan kun je je tokamak met een hogere druk bedienen."

Het bijgewerkte programma is geschreven om de omstandigheden te voorspellen die het hogedrukplasma het beste zouden bevatten. Het programma, Hoewel, is slechts één onderdeel van de DECAF-code, die veel modules bevat die elk verschillende aspecten van een plasma bewaken in een poging om te bepalen wanneer het plasma onstabiel wordt. "Voor jaren, we hebben onderzocht welke omstandigheden tot instabiliteit leiden en hoe we die kunnen proberen te vermijden, ' zei Berkery.

De code verzamelt informatie waaronder de dichtheid van het plasma, temperatuur, en de vorm van de rotatie van het plasma. Het berekent vervolgens welke combinaties van deze omstandigheden een stabiel plasma produceren, tegelijkertijd ontdekken welke combinaties van omstandigheden een onstabiel plasma produceren. De nieuwe code zoekt specifiek naar tekenen van een naderende onstabiele toestand die bekend staat als een resistieve muurmodus. Een plasma komt in deze toestand wanneer de krachten die het plasma doen uitzetten sterker zijn dan de krachten die het plasma opsluiten. De intrinsieke magnetische velden van het plasma breiden zich dan naar buiten uit en raken de binnenkant van de tokamak-wanden.