Kernfusie, het vrijkomen van energie wanneer lichte atoomkernen samensmelten, wordt aangeprezen als een koolstofvrije oplossing voor de wereldwijde energiebehoeften. Een mogelijke route naar kernfusie is traagheidsopsluiting. Nu heeft een door KAUST geleid team de complexe plasmastroom gemodelleerd die in zo'n fusiereactor zou kunnen voorkomen.

Inertiële opsluiting omvat het afvuren van meerdere krachtige laserstralen op een waterstofpellet vanuit vele richtingen, die een implosie-schokgolf veroorzaakt die het doelwit verwarmt tot temperaturen die hoog genoeg zijn om een ​​plasma te creëren - een wolk van geladen deeltjes - en fusie op gang te brengen. De pellet moet symmetrisch imploderen, maar kleine verschillen in de kracht van de laserstralen creëren plasma met verschillende temperatuur en dichtheid, die anders stromen en instabiliteiten in de brandstof veroorzaken.

doctoraat student Yuan Li en zijn supervisor Ravi Samtaney van KAUST's Mechanical Engineering-programma en Vincent Wheatley van The University of Queensland, Australië, gebruikte een vloeistofmodel van plasmadynamica om de evolutie van een bepaald type instabiliteit te onderzoeken, de Richtmyer-Meshkov-instabiliteit (RMI).

De RMI begint als kleine verstoringen tussen regio's van impulsief versnellende vloeistoffen met een hoge en lage dichtheid. De verstoringen groeien aanvankelijk lineair met de tijd; dit wordt gevolgd door een niet-lineair regime met de vorming van bellen van de lichte vloeistof die de zware binnendringt en met pieken van de zware vloeistof in de lichte. Uiteindelijk evolueert dit naar turbulente menging, wat nadelig is voor het bereiken van de hotspot in het midden van de implosie.

Li, Samtaney en Wheatley hebben numeriek de RMI onderzocht in het geval van een convergerende cilindrische schok die interageert met twee grensvlakken die vloeistoffen van drie dichtheden scheidden. Eerder onderzoek wees uit dat het aanleggen van een magnetisch veld de temperatuur die nodig is voor ontsteking verlaagt en instabiliteit vermindert. Het team bestudeerde veranderingen in het stromingsveld onder invloed van een magnetisch veld in de vorm van een zadel; een topologie die eerder werd geïdentificeerd als de meest effectieve.

Door dit systeem te simuleren met verschillende verhoudingen van dichtheden tussen de drie vloeistoffen en verschillende magnetische veldintensiteiten, het team bevestigde dat het zadelvormige magnetische veld de instabiliteit inderdaad zou kunnen verminderen. Echter, ze toonden aan dat de mate van onderdrukking varieert op het grensvlak:of het licht tot zwaar of zwaar tot licht was. Dit leidt op zijn beurt tot een niet-symmetrische groei van de verstoringen. De mate van deze asymmetrie neemt toe met toenemende sterkte van het magnetische veld.

"Het magnetische veld van het zadel onderdrukt RMI, maar het breekt ook de stromingssymmetrie, " legt Samtaney uit. "Symmetrie is erg belangrijk voor de implosie om een ​​hoge temperatuur en dichtheid te bereiken."

"We hopen vervolgens een meer geavanceerd wiskundig model te gebruiken van schokgestuurde instabiliteiten in traagheidsopsluitingsfusie die ionen en elektronen als afzonderlijke vloeistoffen behandelt, ' zegt Samtaney.