Forskare vid US Department of Energys (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har funnit att uppdatering av en matematisk modell för att inkludera en fysisk egenskap som kallas resistivitet kan leda till en förbättrad design av munkformade fusionsanläggningar som kallas tokamaks.

"Resistivitet är egenskapen hos alla ämnen som hämmar flödet av elektricitet", säger PPPL-fysikern Nathaniel Ferraro, en av de samarbetande forskarna. "Det är ungefär som viskositeten hos en vätska, som förhindrar att saker rör sig genom den. Till exempel kommer en sten att röra sig långsammare genom melass än vatten och långsammare genom vatten än genom luft."

Forskare har upptäckt ett nytt sätt att resistivitet kan orsaka instabilitet i plasmakanten, där temperaturer och tryck stiger kraftigt. Genom att införliva resistivitet i modeller som förutsäger plasmas beteende, en soppa av elektroner och atomkärnor som utgör 99 % av det synliga universum, kan forskare designa system för framtida fusionsanläggningar som gör plasman mer stabil.

"Vi vill använda denna kunskap för att ta reda på hur man utvecklar en modell som gör att vi kan koppla in vissa plasmaegenskaper och förutsäga om plasman kommer att vara stabil innan vi faktiskt gör ett experiment", säger Andreas Kleiner, en PPPL-fysiker som var huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Nuclear Fusion . "I grund och botten såg vi i den här forskningen att resistivitet spelar roll och våra modeller borde inkludera det," sa han.

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, kombinerar lätta element i form av plasma – det varma, laddade tillståndet hos materia som består av fria elektroner och atomkärnor – och genererar enorma mängder energi. Forskare försöker utnyttja fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på kraft för att generera elektricitet.

Forskare vill att plasman ska vara stabil eftersom instabilitet kan leda till plasmautbrott som kallas edge-localized modes (ELMs) som kan skada inre komponenter i tokamak över tid, vilket kräver att dessa komponenter byts ut oftare. Framtida fusionsreaktorer kommer att behöva köras utan att stanna för reparationer, dock i månader i taget.

"Vi måste ha förtroende för att plasman i dessa framtida anläggningar kommer att vara stabil utan att behöva bygga fullskaliga prototyper, vilket är oöverkomligt dyrt och tidskrävande," sa Ferraro. "I fallet med kantlokaliserade lägen och vissa andra fenomen, kan en misslyckad stabilisering av plasman leda till skada eller minskad livslängd för komponenter i dessa anläggningar, så det är mycket viktigt att göra det rätt."

Fysiker använder en datormodell som kallas EPED för att förutsäga beteendet hos plasma i konventionella tokamaks, men de förutsägelser som produceras av koden för en mängd olika plasmamaskiner som kallas sfäriska tokamaks är inte alltid korrekta. Fysiker studerar sfäriska tokamaker, kompakta anläggningar som National Spherical Tokamak Experiment-Upgrade (NSTX-U) vid PPPL som liknar äpplen med kärnor, som en möjlig design för en fusionspilotanläggning.

Med hjälp av de kraftfulla datorerna i National Energy Research Scientific Computing Center, försökte en DOE Office of Science-användaranläggning vid Lawrence Berkeley National Laboratory i Berkeley, Kalifornien, Kleiner och teamet lägga till resistivitet till en plasmamodell och fann att förutsägelserna började matcha observationer.

"Andreas undersökte data från flera tidigare plasmaurladdningar och fann att resistiva effekter var mycket viktiga", säger Rajesh Maingi, chef för PPPL:s Tokamak Experimental Sciences Department. "The experiments showed that these effects were probably causing the ELMs we were seeing. The improved model could show us how to change the profiles of plasma in future facilities to get rid of the ELMs."

Using these types of computer models is a standard procedure that lets physicists predict what plasma will do in future fusion machines and design those machines to make the plasma behave in a way to make fusion more likely. "Basically, a model is a set of mathematical equations that describes plasma behavior," Ferraro said.

"And all models incorporate assumptions. Some models, like the one used in this research, describe the plasma as a fluid. In general, you can't have a model that includes all of physics in it. It would be too hard to solve. You want a model that is simple enough to calculate but complete enough to capture the phenomenon you are interested in. Andreas found that resistivity is one of the physical effects that we should include in our models," he continued.

This research builds on past computations conducted by Kleiner and others. It adds to those findings by analyzing more discharges produced by NSTX, the machine preceding NSTX-U, and investigating scenarios when ELMs do not occur. The research also helped the scientists determine that instabilities caused by resistivity are driven by plasma current, not pressure.

Future research will focus on determining why resistivity produces these types of instabilities in spherical tokamaks. "We do not yet know which property causes the resistive modes at the plasma edge to appear. It might be a result of the spherical torus geometry, the lithium that coats the insides of some facilities, or the plasma's elongated shape," Kleiner said. "But this needs to be confirmed with further simulations." + Utforska vidare

State-of-the-art computer code could advance efforts to harness fusion energy