Im Plasma einer Fusionsanlage verlangsamt ein starker Ionentemperaturgradient das Wachstum magnetischer Inseln

Zukünftige Fusionskraftwerke benötigen einen guten Plasmaeinschluss, um Reaktionen aufrechtzuerhalten und Energie zu erzeugen. Eine Möglichkeit, Plasma für Fusionsreaktionen einzudämmen, ist die Verwendung eines Tokamaks, eines Geräts, das in einer „Flasche“ Magnetfelder auf das Plasma anwendet. Allerdings können magnetische Inseln, eine Art Instabilität im Plasma, das begrenzende Magnetfeld zerstören, wenn sie groß genug werden.

Forscher der DIII-D National Fusion Facility fanden heraus, dass sich das Ionentemperaturprofil im Gegensatz zum abgeflachten Elektronentemperaturprofil von Insel zu Insel abrupt änderte. Die Studie wird in der Zeitschrift veröffentlicht Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Magnetische Inseln sind Plasmainstabilitäten, die bis zum Verlust des Einschlusses wachsen können, und diese plötzliche Energiefreisetzung kann die Innenwand eines Tokamaks beschädigen. Es ist bekannt, dass sich das Elektronentemperaturprofil innerhalb von Inseln abflacht, wobei diese Änderung das Inselwachstum begünstigt. Allerdings wurden noch nie Ionentemperaturen innerhalb einer Insel gemessen.

Jüngste Arbeiten am Tokamak der nationalen DIII-D-Fusionsanlage ermöglichten die erste Messung dieses Parameters. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ionentemperatur im Zentrum der magnetischen Inseln einen steilen Gradienten aufweist.

Um diesen Gradienten zu verstehen, führte ein internationales Forscherteam eine Reihe von Simulationen durch. Die abrupte Änderung der Ionentemperatur wurde durch verkleinerte Simulationen des driftkinetischen neoklassischen Tearing-Modus (NTM) erklärt. Die Forscher fanden heraus, dass Ionen innerhalb einer Insel „driftende Insel“-Strukturen bilden, die sich von der Insel entfernen und so die Temperatur der Ionen wiederherstellen. Diese Ergebnisse werden in einem physikalischen Modell der Inseldestabilisierung verwendet und dazu beitragen, das driftkinetische magnetische Inselerscheinungsmodell einzuschränken, das wichtige Informationen für den Entwurf von ITER- und Fusionskraftwerken liefern wird.

Diese magnetische Inselforschung liefert Erkenntnisse darüber, wie Inseln die Plasmastabilität beeinflussen. Forscher erwarten, dass es Inseln geben wird, die groß genug sind, um in Tokomak-Geräten wie ITER, dem derzeit in Frankreich im Bau befindlichen internationalen Experiment, und künftigen Fusionsanlagen zu einem Verlust des Einschlusses zu führen. Forscher benötigen daher eine genaue Modellierung und Vorhersage der durch die Inseln verursachten Destabilisierung.

Dieses Verständnis wird Forschern dabei helfen, Betriebsbedingungen für Fusionsgeräte zu entwickeln, die Inseln vermeiden. Dies wird auch dazu beitragen, die Plasmamodellierung und das Design zukünftiger Geräte zu verbessern.