Fusione nucleare, il rilascio di energia quando i nuclei atomici leggeri si fondono, è pubblicizzato come una soluzione senza emissioni di carbonio per il fabbisogno energetico globale. Un potenziale percorso verso la fusione nucleare è il confinamento inerziale. Ora un team guidato da KAUST ha modellato il complesso flusso di plasma che potrebbe verificarsi in un tale reattore a fusione.

Il confinamento inerziale comporta l'emissione di più potenti raggi laser su un pellet di idrogeno da molte direzioni, che provoca un'onda d'urto di implosione che riscalda il bersaglio a temperature abbastanza elevate da creare un plasma, una nuvola di particelle cariche, e avviare la fusione. Il pellet dovrebbe implodere simmetricamente, ma lievi differenze nella potenza dei raggi laser creano plasma di diversa temperatura e densità, che scorrono in modo diverso e creano instabilità nel carburante.

dottorato di ricerca lo studente Yuan Li e il suo supervisore Ravi Samtaney del programma di ingegneria meccanica di KAUST e Vincent Wheatley dell'Università del Queensland, Australia, ha utilizzato un modello fluido della dinamica del plasma per studiare l'evoluzione di un particolare tipo di instabilità chiamato instabilità Richtmyer-Meshkov (RMI).

L'RMI inizia come piccole perturbazioni tra regioni di fluidi ad accelerazione impulsiva di alta e bassa densità. Le perturbazioni inizialmente crescono linearmente con il tempo; segue un regime non lineare con formazione di bolle del fluido leggero che penetra in quello pesante e con picchi del fluido pesante in quello leggero. Alla fine questo si evolve in una miscelazione turbolenta, che è dannoso per raggiungere il punto caldo al centro dell'implosione.

Li, Samtaney e Wheatley hanno studiato numericamente l'RMI nel caso di uno shock cilindrico convergente che interagiva con due interfacce che separavano fluidi di tre densità. Ricerche precedenti hanno indicato che l'applicazione di un campo magnetico riduce la temperatura richiesta per l'accensione e riduce l'instabilità. Il team ha studiato i cambiamenti nel campo di flusso sotto l'influenza di un campo magnetico a forma di sella; una topologia precedentemente identificata come la più efficace.

Simulando questo sistema con diversi rapporti di densità tra i tre fluidi e varie intensità di campo magnetico, il team ha confermato che il campo magnetico a forma di sella potrebbe effettivamente ridurre l'instabilità. Però, hanno mostrato che l'entità della soppressione varia sull'interfaccia:se era da leggera a pesante o da pesante a leggera. Questo a sua volta porta ad una crescita asimmetrica delle perturbazioni. Il grado di questa asimmetria aumenta con l'aumentare della forza del campo magnetico.

"Il campo magnetico della sella sopprime l'RMI; tuttavia, rompe anche la simmetria del flusso, " spiega Samtaney. "La simmetria è molto importante affinché l'implosione raggiunga temperature e densità elevate".

"Speriamo poi di utilizzare un modello matematico più avanzato delle instabilità provocate dagli urti nella fusione a confinamento inerziale che tratti ioni ed elettroni come fluidi separati, "dice Samtaney.