Munkformade tokamaks – anläggningar designade för att återskapa fusionsenergin som driver solen och stjärnorna på jorden – måste motstå krafter som kan vara starkare än orkaner som skapas av störningar i plasman som driver fusionsreaktioner. Nya fynd av fysiker vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) visar att vissa krafter som frigörs av störningar verkar på ett överraskande sätt. Resultaten kan göra det möjligt för konstruktörer av stora framtida anläggningar som ITER, den internationella tokamak under uppbyggnad i Frankrike, för att bättre kunna innehålla styrkor som allvarligt kan skada anläggningen.

Två krafter

Orsakar dessa krafter som produceras av störningar som kallas "vertical displacement events" (VDE) är "virvelströmmar" som virvlar inuti en tokamaks innerväggar och "halo"-strömmar som går in i och ut ur väggarna. Men oavsett hur starka haloströmmarna växer, de totala krafterna som slår in i väggarna blir inte mer kraftfulla. Resultat av toppmoderna PPPL-simuleringar, använder PPPL:s flaggskepp M3D-C1-kod, visa att varje ökning av haloströmmen oväntat kompenseras av en minskning av virvelströmmen – precis som förluster kompenserar för vinster på ett bankkonto som om det vore ett nollsummespel.

"Vad vi fann var att förändring av haloströmmen inte påverkar den totala vertikala kraften, sa Cesar Clauser, en PPPL forskarstuderande som ledde forskningen som rapporterades i Kärnfusion . "Detta var ett överraskande och intressant resultat."

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma, den heta, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor. Fysiker försöker fånga och kontrollera fusion på jorden för att producera en säker, ren och praktiskt taget obegränsad kraftkälla för att generera el.

PPPL-forskare syftade till att jämföra sin sofistikerade modell med resultaten av de förenklade modeller som ITER använder för att beräkna störande krafter. "En implikation att dra från vår studie är att mätning av haloströmmen kan vara en proxy för de totala krafterna, " sa PPPL fysiker Nate Ferraro, en medförfattare av tidningen tillsammans med PPPL-fysikern Stephen Jardin. "Detta kan leda till en mer fullständig förståelse."

Avancerad PPPL-kod

Den avancerade PPPL-koden M3D-C1 avslöjade det nära sambandet mellan virvel- och haloströmkrafterna i ITER-plasma och visade att förändring av haloströmmen inte påverkade de totala vertikala krafterna. "Simuleringarna täckte ett brett spektrum av haloströmsfall eftersom vi ville leta efter det värsta scenariot, sa Clauser.

De tvådimensionella simuleringarna analyserade den totala kraften som produceras av de två strömmarna men inte fördelningen av krafter inom ITER-väggar. Framtida tredimensionella studier kommer att modellera fördelningen för att hitta vägar för haloströmmar som virvelströmmar kanske inte kompenserar.