La figura de la izquierda muestra una gran isla magnética asimétrica, que abulta por dentro (es decir, la flecha azul es más larga que la roja), que puede provocar una interrupción y poner fin a una descarga de plasma. La figura de la derecha muestra la ley de escala empírica del límite de densidad derivada de observaciones experimentales en comparación con la predicción teórica, donde los diferentes símbolos indican diferentes supuestos de parámetros (por ejemplo, diferentes concentraciones de impurezas). Para todos los parámetros, el límite de densidad predicho concuerda casi perfectamente con la escala experimental; eso es ¯ne ≈¯nG. Crédito:Departamento de Energía de EE. UU.
Cuando la densidad del calor gas ionizado (conocido como plasma) en un tokamak excede un cierto límite, generalmente conduce a una rápida pérdida de calor y corrientes de plasma. Las corrientes son necesarias para confinar el plasma. Tales eventos pueden dañar seriamente el tokamak. Antes de la interrupción, los científicos a menudo observan grandes islas magnéticas. Las islas magnéticas están aisladas térmicamente, pequeñas "burbujas" de plasma. Investigaciones recientes confirmaron que los científicos podrían usar estas islas para predecir correctamente el límite de densidad. El equipo demostró que cuando la isla se vuelve lo suficientemente grande, el núcleo de plasma caliente se mezcla con el plasma frío y provoca la ruptura. Pueden usar esta información para controlar las interrupciones.
El límite de densidad en los tokamaks ha sido un obstáculo experimental durante décadas. Es fundamental comprender el límite de densidad. ¿Por qué? Porque en el poder de fusión producido por los tokamaks, cuanto mayor es la densidad del plasma, más energía se produce. Este trabajo explica correctamente el límite de densidad. Esto ha llevado a sugerencias de que el límite de densidad se puede exceder calentando cuidadosamente la isla magnética utilizando fuentes de calor externas o reduciendo la densidad de impurezas.
En este trabajo, la expresión clásica para el crecimiento del tamaño de una isla magnética se amplía para incluir el efecto de la asimetría de la isla (mostrado en la figura) y el efecto de las perturbaciones térmicas dentro de la isla. Estas correcciones son cruciales para comprender la dinámica del crecimiento de la isla magnética y, por lo tanto, las interrupciones.
No solo la isla cambia con el tiempo, también lo hace el equilibrio del plasma de fondo. Este efecto debe tenerse en cuenta para obtener una precisión, solución autoconsistente. Se utiliza un modelo de inductancia interna para calcular la evolución del equilibrio con el aumento de la densidad del plasma, y la radiación de impurezas se calcula con velocidades de enfriamiento de equilibrio de corona.
El límite de densidad aumentado predicho por el nuevo modelo concuerda casi perfectamente, como se muestra en la figura (derecha), con las leyes de escala derivadas de una base de datos experimental de interrupciones para los tokamaks más importantes del mundo. Cuando aumenta la densidad plasmática, las corrientes de plasma se encogen, y así se reduce el calentamiento. La radiación de impurezas, por otra parte, es proporcional al cuadrado de la densidad plasmática; asi que, a medida que la densidad se duplica, el enfriamiento se cuadruplica.
La isla magnética crecerá cuando la potencia de "enfriamiento" que fluye fuera de la isla exceda la potencia de "calentamiento" que fluye hacia adentro. El calentamiento proviene de la pequeña pero significativa resistencia eléctrica a las corrientes de plasma. El enfriamiento proviene de la radiación emitida por impurezas en la isla magnética.
