All'interno di un esperimento di fusione, dove gli scienziati studiano le reazioni al cuore del nostro sole, le interruzioni - instabilità su larga scala del plasma - causano la perdita rapida e completa del confinamento magnetico. I modelli di plasmi di fusione ora combinano metodi numerici avanzati con capacità di calcolo ad alte prestazioni. Il risultato? Gli scienziati possono esplorare le cause e le dinamiche delle interruzioni con dettagli senza precedenti.

Le interruzioni rappresentano una delle sfide più significative per la progettazione di un reattore a fusione. Durante questi eventi, le correnti elettriche che si formano nelle pareti creano forze significative che possono danneggiare le pareti del vaso tokamak. Ora, gli scienziati possono modellare queste correnti in una geometria completamente tridimensionale, con parametri di plasma realistici. I risultati possono portare a strategie che evitano e mitigano le interruzioni nei futuri dispositivi delle dimensioni di un reattore.

Il tokamak è un design efficiente per confinare plasmi surriscaldati con campi magnetici perché gran parte del campo magnetico è prodotto da correnti elettriche nel plasma. Questo vantaggio può diventare una responsabilità, perché le perturbazioni alla corrente di plasma possono ridurre il campo magnetico in un ciclo di autorinforzamento, causando una rapida perdita di confinamento. Inoltre, queste interruzioni impongono forti forze elettromagnetiche e carichi termici, rappresentando una sfida importante per il buon funzionamento di un reattore tokamak.

I ricercatori stanno ora effettuando simulazioni completamente tridimensionali di instabilità su larga scala nei tokamak NSTX e DIII-D. Queste simulazioni utilizzano il codice M3D-C1, che modella il plasma come un fluido elettricamente conduttore. Le nuove funzionalità ad alta fedeltà nel codice mostrano le correnti elettriche "alone" che possono portare a interruzioni che scorrono all'interno e attraverso le pareti del tokamak. E ulteriori simulazioni di eventi di spostamento verticale, che spesso causano o accompagnano interruzioni, mostrano che possono svilupparsi violente instabilità secondarie quando il plasma viene spinto contro la parete del vaso.

Queste instabilità secondarie generalmente portano ad una distribuzione tridimensionale della corrente dell'alone, che consiste di componenti simmetriche e asimmetriche. Le correnti asimmetriche possono produrre forze particolarmente dannose per la nave tokamak. Fortunatamente, in queste simulazioni la componente asimmetrica rimane localizzata e fortemente subdominante rispetto alla componente simmetrica, anche nei casi che mostrano un'instabilità secondaria in forte crescita. Le simulazioni mostrano anche che il raffreddamento del plasma prima o durante l'evento di spostamento verticale può sopprimere ulteriormente le instabilità che portano alla corrente asimmetrica. Il lavoro futuro modellerà le interruzioni avviate da altre instabilità in cui si prevede che la componente asimmetrica delle correnti dell'alone sia maggiore.