Fysiker vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har hjälpt till att utveckla en ny datormodell för plasmastabilitet i munkformade fusionsmaskiner som kallas tokamaks. Den nya modellen innehåller nya resultat som samlats in från relaterade forskningsinsatser och förenklar fysiken så att datorer kan bearbeta programmet snabbare. Modellen kan hjälpa forskare att förutsäga när en plasma kan bli instabil och sedan undvika de underliggande förhållandena.

Denna forskning rapporterades i en artikel publicerad i Plasmas fysik i februari 2017, och fick finansiering från DOE:s Office of Science (Fusion Energy Sciences).

Plasmastabilitetskoden skrevs delvis av Jack Berkery, en forskare vid Institutionen för tillämpad fysik och tillämpad matematik vid Columbia University som har varit associerad med PPPL i nästan 10 år. Han arbetar med detta projekt med Steve Sabbagh, en senior forskare och adjungerad professor i tillämpad fysik vid Columbia som har samarbetat med PPPL i nästan tre decennier. Både Berkery och Sabbagh är en del av Columbia -gruppen på PPPL.

Den nya forskningen är den senaste i fysikernas kombinerade ansträngningar att utveckla ett större och mer kapabelt plasmastabiliserande datorprogram som kallas Disruption Event Characterization and Forecasting (DECAF) -kod som kommer att förutsäga och hjälpa till att undvika störningar.

Inom tokamakplasma, många krafter balanserar för att skapa en stabil jämvikt. En kraft är ett expanderande tryck som skapas av plasmaets inneboende egenskaper - en soppa av elektriskt laddade partiklar. En annan kraft produceras av magneter som begränsar plasma, förhindra att den vidrör tokamaks inre väggar och kyls ner.

Plasmafysiker och ingenjörer vill att plasma ska vara under så mycket magnetiskt tryck som möjligt, eftersom högt tryck innebär att plasmapartiklarna interagerar oftare, öka både chansen att fusionsreaktioner kommer att inträffa och mängden värme som produceras av tokamaken. Tidigare forskning av Berkery och Sabbagh på maskiner inklusive National Spherical Torus Experiment-Upgrade (NSTX-U) på PPPL har visat att högt plasmatryck kan hållas på ett stabilt sätt om andra egenskaper hos plasma, som hur det roterar, har särskilda egenskaper.

"Helst, du vill använda tokamaks vid högt tryck för att få bra fusionsprestanda, du vill ha det högsta trycket du kan, "Berkery fortsatte." Tyvärr, när du gör det, instabilitet kan uppstå. Så om du kan hitta ett sätt att stabilisera plasma, då kan du använda din tokamak vid ett högre tryck. "

Det uppdaterade programmet skrevs för att förutsäga de förhållanden som bäst skulle innehålla högtrycksplasma. Programmet, fastän, är bara en komponent i DECAF -koden, som innehåller många moduler som var och en övervakar olika aspekter av en plasma i ett försök att avgöra när plasma blir instabil. "I åratal, vi har undersökt vilka förhållanden som leder till instabilitet och hur vi kan försöka undvika dessa tillstånd, Sa Berkery.

Koden samlar in information som inkluderar plasmas densitet, temperatur, och formen på plasmas rotation. Den beräknar sedan vilka kombinationer av dessa tillstånd som ger en stabil plasma, samtidigt avslöja vilka kombinationer av tillstånd som producerar en instabil plasma. Den nya koden letar specifikt efter tecken på ett kommande instabilt tillstånd som kallas ett resistivt väggläge. En plasma går in i detta tillstånd när krafter som får plasma att expandera är starkare än krafterna som begränsar plasma. Plasmas inneboende magnetfält expanderar sedan utåt och träffar det inre av tokamakens väggar.