Kärnfusion, frigörande av energi när lätta atomkärnor smälter samman, speglas som en kolfri lösning för globala energikrav. En möjlig väg till kärnfusion är tröghetsbegränsning. Nu har ett KAUST-ledt team modellerat det komplexa flödet av plasma som kan uppstå i en sådan fusionsreaktor.

Tröghetsbegränsning innebär att flera kraftfulla laserstrålar skjuts mot en vätepellett från många håll, som orsakar en implosionschockvåg som värmer målet till temperaturer som är tillräckligt höga för att skapa en plasma - ett moln av laddade partiklar - och initiera fusion. Pelleten ska implodera symmetriskt, men små skillnader i laserstrålarnas effekt skapar plasma med olika temperatur och densitet, som flyter annorlunda och skapar instabilitet i bränslet.

Ph.D. studenten Yuan Li och hans handledare Ravi Samtaney från KAUSTs maskintekniska program och Vincent Wheatley från University of Queensland, Australien, använde en flytande modell för plasmadynamik för att undersöka utvecklingen av en viss typ av instabilitet som kallas Richtmyer – Meshkov instabilitet (RMI).

RMI börjar som små störningar mellan regioner med impulsivt accelererande vätskor med hög och låg densitet. Störningarna växer initialt linjärt med tiden; detta följs av en olinjär regim med bildning av bubblor av den ljusa vätskan som tränger igenom den tunga och med spikar av den tunga vätskan in i den ljusa. Så småningom utvecklas detta till turbulent blandning, vilket är skadligt för att uppnå den heta platsen i mitten av implosionen.

Li, Samtaney och Wheatley undersökte numeriskt RMI vid en konvergerande cylindrisk chock som interagerade med två gränssnitt som separerade vätskor med tre densiteter. Tidigare forskning visade att applicering av ett magnetfält minskar temperaturen som krävs för antändning och minskar instabilitet. Teamet studerade förändringar i flödesfältet under påverkan av ett magnetfält format som en sadel; en topologi som tidigare identifierats som den mest effektiva.

Genom att simulera detta system med olika täthetsförhållanden mellan de tre vätskorna och olika magnetfältintensiteter, laget bekräftade att det sadelformade magnetfältet verkligen kunde minska instabiliteten. Dock, de visade att omfattningen av undertryckandet varierar på gränssnittet:om det var lätt till tungt eller tungt till lätt. Detta leder i sin tur till en osymmetrisk tillväxt av störningarna. Graden av denna asymmetri ökar med ökande styrka hos magnetfältet.

"Magnetfältet i sadeln undertrycker RMI; det bryter också flödesymmetrin, "förklarar Samtaney." Symmetri är mycket viktigt för att implosionen ska uppnå hög temperatur och densitet. "

"Därefter hoppas vi kunna använda en mer avancerad matematisk modell av chockdrivna instabiliteter vid tröghetsfusion som behandlar joner och elektroner som separata vätskor, "säger Samtaney.