Binnen een fusie-experiment, waar wetenschappers de reacties in het hart van onze zon bestuderen, verstoringen - grootschalige instabiliteit van het plasma - veroorzaken een snel en volledig verlies van magnetische opsluiting. Modellen van fusieplasma's combineren nu geavanceerde numerieke methoden met krachtige computermogelijkheden. Het resultaat? Wetenschappers kunnen de oorzaken en dynamiek van verstoringen tot in ongekend detail onderzoeken.

Verstoringen vormen een van de grootste uitdagingen bij het ontwerpen van een fusiereactor. Tijdens deze evenementen, elektrische stromen die in de wanden ontstaan, creëren aanzienlijke krachten die de wanden van het tokamak-vat kunnen beschadigen. Nutsvoorzieningen, wetenschappers kunnen deze stromen modelleren in een volledig driedimensionale geometrie, met realistische plasmaparameters. De resultaten kunnen leiden tot strategieën die verstoringen in toekomstige reactorgrote apparaten voorkomen en verminderen.

De tokamak is een efficiënt ontwerp voor het insluiten van oververhitte plasma's met magnetische velden, omdat een groot deel van het magnetische veld wordt geproduceerd door elektrische stromen in het plasma. Dit voordeel kan een verplichting worden, omdat verstoringen van de plasmastroom het magnetische veld in een zichzelf versterkende cyclus kunnen verminderen, waardoor de opsluiting snel verloren gaat. Bovendien, deze verstoringen leggen sterke elektromagnetische krachten en warmtebelastingen op, vormt een grote uitdaging voor een succesvolle exploitatie van een tokamak-reactor.

Onderzoekers voeren nu volledig driedimensionale simulaties uit van grootschalige instabiliteiten in de NSTX- en DIII-D-tokamaks. Deze simulaties gebruiken de M3D-C1-code, die het plasma modelleert als een elektrisch geleidende vloeistof. Nieuwe high-fidelity-mogelijkheden in de code tonen de elektrische "halo"-stromen die kunnen leiden tot verstoringen die in en door de wanden van de tokamak stromen. En verdere simulaties van verticale verplaatsingsgebeurtenissen, die vaak verstoringen veroorzaken of begeleiden, laten zien dat zich gewelddadige secundaire instabiliteiten kunnen ontwikkelen als het plasma tegen de vaatwand wordt geduwd.

Deze secundaire instabiliteiten leiden over het algemeen tot een driedimensionale verdeling van halostroom, die bestaat uit symmetrische en asymmetrische componenten. Asymmetrische stromen kunnen krachten veroorzaken die bijzonder schadelijk zijn voor het tokamak-vat. Gelukkig, in deze simulaties blijft de asymmetrische component gelokaliseerd en sterk ondergeschikt aan de symmetrische component, zelfs in gevallen die een sterk groeiende secundaire instabiliteit vertonen. De simulaties laten ook zien dat het afkoelen van het plasma voor of tijdens de verticale verplaatsing de instabiliteiten die tot asymmetrische stroom leiden verder kan onderdrukken. Toekomstig werk zal verstoringen modelleren die worden veroorzaakt door andere instabiliteiten waarbij de asymmetrische component van de halostromen naar verwachting groter zal zijn.