La figura a sinistra mostra un grande, isola magnetica asimmetrica, che si gonfia all'interno (cioè la freccia blu è più lunga di quella rossa), che può portare a un'interruzione e terminare una scarica di plasma. La figura di destra mostra la legge di scala empirica del limite di densità derivata da osservazioni sperimentali rispetto alla previsione teorica, dove i diversi simboli indicano diverse ipotesi sui parametri (ad esempio, diverse concentrazioni di impurezze). Per tutti i parametri, il limite di densità previsto concorda quasi perfettamente con la scala sperimentale; questo è ne ≈¯nG. Credito:Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti
Quando la densità del caldo, il gas ionizzato (noto come plasma) in un tokamak supera un certo limite, di solito porta a una rapida perdita di calore e correnti di plasma. Le correnti sono necessarie per confinare il plasma. Tali eventi possono danneggiare seriamente il tokamak. Prima dell'interruzione, gli scienziati osservano spesso grandi isole magnetiche. Le isole magnetiche sono isolate termicamente, piccole "bolle" di plasma. Recenti indagini hanno confermato che gli scienziati potrebbero utilizzare queste isole per prevedere correttamente il limite di densità. Il team ha dimostrato che quando l'isola diventa abbastanza grande, il nucleo di plasma caldo si mescola con il plasma freddo e provoca l'interruzione. Possono utilizzare queste informazioni per controllare le interruzioni.
Il limite di densità nei tokamak è stato per decenni un ostacolo sperimentale. È fondamentale capire il limite di densità. Come mai? Perché nell'energia da fusione prodotta dai tokamak, maggiore è la densità del plasma, maggiore è la produzione di energia. Questo lavoro spiega correttamente il limite di densità. Ciò ha portato a suggerire che il limite di densità può essere superato riscaldando accuratamente l'isola magnetica utilizzando fonti di riscaldamento esterne o riducendo la densità delle impurità.
In questo lavoro, l'espressione classica per la crescita delle dimensioni di un'isola magnetica viene estesa per includere l'effetto dell'asimmetria dell'isola (mostrato in figura) e l'effetto delle perturbazioni termiche all'interno dell'isola. Queste correzioni sono cruciali per comprendere le dinamiche della crescita dell'isola magnetica e quindi le interruzioni.
Non solo l'isola cambia con il tempo, così fa l'equilibrio del plasma di fondo. Questo effetto deve essere preso in considerazione per ottenere un accurato, soluzione autosufficiente. Un modello di induttanza interna viene utilizzato per calcolare l'evoluzione dell'equilibrio con l'aumento della densità del plasma, e la radiazione di impurità è calcolata con velocità di raffreddamento all'equilibrio corona.
L'aumento del limite di densità previsto dal nuovo modello concorda quasi perfettamente, come mostrato nella figura (a destra), con le leggi di scala derivate da un database sperimentale di interruzioni per i tokamak più importanti del mondo. Quando la densità del plasma è aumentata, le correnti di plasma si restringono, e quindi il riscaldamento si riduce. La radiazione di impurità, d'altra parte, è proporzionale al quadrato della densità del plasma; così, quando la densità raddoppia, il raffreddamento quadruplica.
L'isola magnetica crescerà quando la potenza di "raffreddamento" in uscita dall'isola supera la potenza di "riscaldamento" in entrata. Il riscaldamento deriva dalla piccola ma significativa resistenza elettrica alle correnti di plasma. Il raffreddamento deriva dalla radiazione emessa dalle impurità nell'isola magnetica.
