La figure de gauche montre un grand îlot magnétique asymétrique, qui est bombé à l'intérieur (c'est-à-dire la flèche bleue est plus longue que la rouge), pouvant entraîner une perturbation et mettre fin à une décharge plasmatique. La figure de droite montre la loi d'échelle empirique de la limite de densité dérivée des observations expérimentales par rapport à la prédiction théorique, où les différents symboles indiquent différentes hypothèses de paramètres (par exemple, différentes concentrations d'impuretés). Pour tous les paramètres, la limite de densité prédite concorde presque parfaitement avec l'échelle expérimentale ; c'est un nG. Crédit :Département américain de l'Énergie
Lorsque la densité du chaud, le gaz ionisé (appelé plasma) dans un tokamak dépasse une certaine limite, elle conduit généralement à une perte rapide de la chaleur et des courants de plasma. Les courants sont nécessaires pour confiner le plasma. De tels événements peuvent sérieusement endommager le tokamak. Avant la perturbation, les scientifiques observent souvent de grandes îles magnétiques. Les îlots magnétiques sont isolés thermiquement, petites "bulles" de plasma. Des enquêtes récentes ont confirmé que les scientifiques pouvaient utiliser ces îles pour prédire correctement la limite de densité. L'équipe a montré que lorsque l'île devient suffisamment grande, le cœur de plasma chaud se mélange au plasma froid et provoque la rupture. Ils peuvent utiliser ces informations pour contrôler les perturbations.
La limite de densité dans les tokamaks est un obstacle expérimental depuis des décennies. Il est crucial de comprendre la limite de densité. Pourquoi? Car dans l'énergie de fusion produite par les tokamaks, plus la densité du plasma augmente, plus la puissance est produite. Ce travail explique correctement la limite de densité. Cela a conduit à des suggestions selon lesquelles la limite de densité peut être dépassée en chauffant soigneusement l'îlot magnétique à l'aide de sources de chauffage externes ou en réduisant la densité des impuretés.
Dans ce travail, l'expression classique de la croissance de la taille d'un îlot magnétique est étendue pour inclure l'effet de l'asymétrie de l'îlot (représenté sur la figure) et l'effet des perturbations thermiques à l'intérieur de l'îlot. Ces corrections sont cruciales pour comprendre la dynamique de croissance des îlots magnétiques et donc les perturbations.
Non seulement l'île change avec le temps, il en va de même pour l'équilibre du plasma de fond. Cet effet doit être pris en compte pour obtenir un solution auto-cohérente. Un modèle d'inductance interne est utilisé pour calculer l'évolution de l'équilibre avec l'augmentation de la densité du plasma, et le rayonnement d'impuretés est calculé avec des vitesses de refroidissement à l'équilibre corona.
La limite de densité accrue prédite par le nouveau modèle concorde presque parfaitement, comme le montre la figure (à droite), avec les lois d'échelle dérivées d'une base de données expérimentale de perturbations pour les tokamaks les plus importants du monde. Lorsque la densité du plasma est augmentée, les courants de plasma rétrécissent, et ainsi le chauffage est réduit. Le rayonnement d'impureté, d'autre part, est proportionnel au carré de la densité plasmatique; donc, à mesure que la densité double, le refroidissement quadruple.
L'îlot magnétique se développera lorsque la puissance de "refroidissement" sortant de l'îlot dépassera la puissance de "chauffage" entrant. Le chauffage provient de la résistance électrique faible mais significative aux courants de plasma. Le refroidissement provient du rayonnement émis par les impuretés dans l'îlot magnétique.
