In einem Plasma einer Fusionsanlage verlangsamt ein steiler 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 Magnetfelder anwendet, um Plasma in „Flaschen“ zu füllen. 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 haben herausgefunden, dass das Ionentemperaturprofil im Gegensatz zum abgeflachten Elektronentemperaturprofil eine steile Änderung über die Inseln hinweg aufwies. Die Studie ist veröffentlicht im Tagebuch Briefe zur körperlichen Untersuchung.

Magnetische Inseln sind Instabilitäten im Plasma, die wachsen können, bis sie zum Verlust des Einschlusses führen. Diese plötzliche Energiefreisetzung kann die Innenwand eines Tokamaks beschädigen. Es ist bekannt, dass das Elektronentemperaturprofil innerhalb von Inseln abflacht, wobei diese Änderung das Inselwachstum unterstützt, aber die Ionentemperatur wurde noch nie auf einer Insel gemessen.

Die jüngsten Arbeiten am Tokamak an der DIII-D National Fusion Facility führten die erste Messung dieses Parameters durch. Die Ergebnisse deuten darauf hin, dass die Ionentemperatur im Zentrum magnetischer Inseln einen steilen Gradienten aufweist.

Um diesen Gradienten zu verstehen, führte ein internationales Forscherteam eine Reihe von Simulationen durch. Die steile Änderung der Ionentemperatur wurde durch reduzierte Drift-Kinetic Neoclassical Tearing Mode (NTM)-Simulationen erklärt. Die Forscher fanden heraus, dass Ionen innerhalb einer Insel „Driftinsel“-Strukturen bilden, die sich von der Insel verschieben und so die Ionentemperatur wiederherstellen. Diese Ergebnisse werden in einem physikalischen Modell der Inseldestabilisierung verwendet und helfen, das driftkinetische Modell des magnetischen Inselbeginns einzuschränken, das wichtige Informationen für das Design von ITER und Fusionskraftwerken liefern wird.

Diese Forschung zu magnetischen Inseln liefert Erkenntnisse darüber, wie Inseln die Plasmastabilität beeinflussen. Forscher gehen davon aus, 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 Fusionskraftwerken zum Verlust des Einschlusses zu führen. Daher benötigen Forscher eine genaue Modellierung und Vorhersage der durch Inseln verursachten Destabilisierung.

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