Inuti ett fusionsexperiment, där forskare studerar reaktionerna i hjärtat av vår sol, störningar - storskalig instabilitet i plasma - orsakar snabb och fullständig förlust av magnetisk inneslutning. Modeller av fusionsplasma kombinerar nu avancerade numeriska metoder med högpresterande beräkningsmöjligheter. Resultatet? Forskare kan utforska orsakerna och dynamiken för störningar i oöverträffad detalj.

Störningar utgör en av de största utmaningarna för att designa en fusionsreaktor. Under dessa händelser, elektriska strömmar som uppstår i väggarna skapar betydande krafter som kan skada tokamakkärlets väggar. Nu, forskare kan modellera dessa strömmar i en helt tredimensionell geometri, med realistiska plasmaparametrar. Resultaten kan leda till strategier som undviker och mildrar störningar i framtida reaktorstora enheter.

Tokamak är en effektiv design för att begränsa överhettade plasma med magnetfält eftersom mycket av magnetfältet produceras av elektriska strömmar i plasman. Denna fördel kan bli en skuld, eftersom störningar i plasmaströmmen kan minska magnetfältet i en självförstärkande cykel, orsakar snabb förlust av instängdhet. Dessutom, dessa störningar orsakar starka elektromagnetiska krafter och värmebelastningar, utgör en stor utmaning för framgångsrik drift av en tokamak-reaktor.

Forskare genomför nu helt tredimensionella simuleringar av storskaliga instabiliteter i NSTX och DIII-D tokamaks. Dessa simuleringar använder M3D-C1-koden, som modellerar plasmat som en elektriskt ledande vätska. Nya high fidelity-funktioner i koden visar de elektriska "halo"-strömmar som kan leda till störningar som flödar in i och genom tokamakens väggar. Och ytterligare simuleringar av vertikala förskjutningshändelser, som ofta orsakar eller åtföljer störningar, visar att våldsamma sekundära instabiliteter kan utvecklas när plasman trycks mot kärlväggen.

Dessa sekundära instabiliteter leder i allmänhet till en tredimensionell fördelning av haloström, som består av symmetriska och asymmetriska komponenter. Asymmetriska strömmar kan producera krafter som är särskilt skadliga för tokamakkärlet. Lyckligtvis, i dessa simuleringar förblir den asymmetriska komponenten lokaliserad och starkt subdominant till den symmetriska komponenten, även i fall som uppvisar en starkt växande sekundär instabilitet. Simuleringarna visar också att kylning av plasmat före eller under den vertikala förskjutningshändelsen ytterligare kan undertrycka de instabiliteter som leder till asymmetrisk ström. Framtida arbete kommer att modellera störningar initierade av andra instabiliteter där den asymmetriska komponenten av haloströmmarna förväntas vara större.