Den vänstra bilden visar en stor, asymmetrisk magnetisk ö, som buktar ut på insidan (det vill säga den blå pilen är längre än den röda), som kan leda till en störning och avsluta en plasmaurladdning. Den högra figuren visar den empiriska skalningslagen för densitetsgränsen härledd från experimentella observationer jämfört med den teoretiska förutsägelsen, där de olika symbolerna indikerar olika parameterantaganden (t.ex. olika föroreningskoncentrationer). För alla parametrar, den förutsagda densitetsgränsen överensstämmer nästan perfekt med den experimentella skalningen; det vill säga ¯ne ≈¯nG. Kredit:US Department of Energy
När densiteten av det varma, joniserad gas (känd som plasma) i en tokamak överskrider en viss gräns, det leder vanligtvis till en snabb förlust av värme och plasmaströmmar. Strömmarna krävs för att begränsa plasman. Sådana händelser kan allvarligt skada tokamak. Innan störningen, forskare observerar ofta stora magnetiska öar. Magnetiska öar är termiskt isolerade, små "bubblor" av plasma. Nyligen genomförda undersökningar bekräftade att forskare kunde använda dessa öar för att korrekt förutsäga täthetsgränsen. Teamet visade att när ön blir tillräckligt stor, den heta plasmakärnan blandas med den kalla plasman och orsakar störningen. De kan använda denna information för att kontrollera störningarna.
Densitetsgränsen i tokamaks har varit ett experimentellt hinder i decennier. Det är viktigt att förstå densitetsgränsen. Varför? Eftersom i fusionskraft producerad av tokamaks, ju högre plasmadensiteten växer desto mer kraft produceras. Detta arbete förklarar densitetsgränsen korrekt. Detta har lett till förslag om att densitetsgränsen kan överskridas genom att försiktigt värma upp den magnetiska ön med hjälp av externa värmekällor eller genom att minska föroreningsdensiteten.
I det här arbetet, det klassiska uttrycket för tillväxten av en magnetisk ös storlek utökas till att omfatta effekten av öasymmetri (visas i figuren) och effekten av termiska störningar inuti ön. Dessa korrigeringar är avgörande för att förstå dynamiken i magnetiska öars tillväxt och därför störningar.
Inte bara förändras ön med tiden, det gör även bakgrundsplasmajämvikten. Denna effekt måste beaktas för att få en korrekt, självständig lösning. En intern induktansmodell används för att beräkna jämviktsutvecklingen med ökande plasmadensitet, och föroreningsstrålningen beräknas med koronajämvikts kylningshastigheter.
Den ökade densitetsgränsen som förutspås av den nya modellen överensstämmer nästan perfekt, som visas i bilden (höger), med skalningslagarna som härrör från en experimentell databas över störningar för världens viktigaste tokamaks. När plasmadensiteten ökar, plasmaströmmarna krymper, och så minskar uppvärmningen. Föroreningsstrålningen, å andra sidan, är proportionell mot kvadraten på plasmadensitet; så, när densiteten fördubblas, kylningen fyrdubblas.
Den magnetiska ön kommer att växa när den "kylande" kraften som strömmar ut från ön överstiger den "värmande" kraften som strömmar in. Uppvärmningen kommer från det lilla men betydande elektriska motståndet mot plasmaströmmar. Kylningen kommer från strålning som avges av föroreningar i den magnetiska ön.
