开发产生核融合的设备将在地球上提供几乎无限的清洁能量。但是，尽管在1950年代开始了热核融合的工作，但工程师仍在努力使这一目标成为现实。一种方法是使用称为Tokamaks的磁性限制设备。了解为什么MIT等离子体科学融合中心（PSFC）的一组工程师转向模拟，以应对Tokamak Design中的关键挑战：由于血浆破坏而引起的不稳定性。
将血浆限制在tokamak中
如前所述这篇博客文章，Tokamak是一种实验装置，旨在产生热核融合功率。Tokamak将氢燃料加热到150,000,000°C以上，这迫使电子与其核分开，从而产生血浆。磁场用于将血浆限制在真空容器中。这些磁场使热等离子体远离容器的壁，更强的磁场可以增强等离子体的性能。
血浆在tokamak的窗户中可见。Bobmumgaard的图像 - 自己的作品。获得许可CC BY-SA 4.0， 通过Wikimedia Commons。
磁场影响等离子体性能的能力是MIT PSFC研究人员重点关注高磁场融合方法的原因之一。由于融合功率与磁场强度与第四功率成正比，因此磁场强度的任何增加都会大大增加设备的功率，并为等离子体提供更好的限制。
PSFC的高级分离实验提案
由PSFC和合作者创建的提案，高级分离实验（ADX）打算开发具有高磁场的紧凑型Tokamak。这种tokamak将具有典型的反应器的密度，热通量和温度，但会使用短血浆放电。使ADX与其他Tokamaks不同的关键创新是，真空容器不是由单个圆柱体制成的，而是由五个轴对称壳组成。这些独立的炮弹提供了强大的优势，因为它们使工程师能够更改设计的一部分，例如随着进一步的研究并进行了新的发现。
拟议的ADX Tokamak设计。
Tokamaks的一个主要挑战是处理血浆中的高热量和粒子排气。这些通量是由分离器来照顾的，ADX将能够使用多种不同的分离配置进行测试，并根据测量数据评估每个分离的方法。
Tokamaks的另一个问题是血浆中断。在正常运行期间，血浆携带大电流。例如，ADX中的血浆旨在携带2 MA。在中断时，血浆从等离子体从其平衡位置移动，然后在短时间（即1毫秒1毫秒）上损失其所有电流时就会损失血浆。这种类型的干扰，血浆移动然后失去电流，称为垂直位移事件（VDE）。
在VDE期间，等离子体的变化会导致磁场迅速变化，从而在周围的导电结构（如真空容器）中驱动涡流。当这些涡流穿过托卡马克（Tokamak）中的多型磁场和环形磁场时，它们会产生大型洛伦兹力，结构必须能够承受。
左：PSFC的真空容器设计。右：真空容器墙壁中的涡流。
在VDE中，等离子体可以更靠近容器壁，并且在破坏过程中，该近端会导致容器上的载荷较大。考虑到这一点，PSFC工程师使用VDE作为测试案例，以查看其船只是否可以支持ADX操作。
在Tokamak的真空容器中模拟VDE
为了减少涡流，该血管本身由Inconel 625组成。PSFC的研究人员选择了Inconel 625，因为其高电阻率和高强度。这种基于镍的合金的电阻率有助于减少血管中涡流的大小。当团队通过数值模拟测试他们的初始设计时，他们发现了船只内部的巨大应力和位移，如下所示。
PSFC具有紫色边界的真空容器的结构模型，显示其固定位置。模拟在VDE期间显示压力（a）和位移（b）。
然后，工程师在船只的一个边界上增加了一个加固块。这稳定了真空容器，大大减少了应力和壁移。随着支撑块的添加，模拟结果表明该血管可以在ADX中处理血浆破坏并正常工作。
添加了另一个支持后，PSFC的真空容器的结构模型。模拟在VDE期间在优化模型中显示了应力（a）和位移（b）。
使用comsolMultiphysics®设计强大的融合设备
在设计融合设备方面，模拟是平衡效率与准确性的强大工具。对于PSFC的研究团队，ComsolMultiphysics®软件被证明可以对其Tokamak设计中的磁场提供可靠的预测，并与录制的数据很好地匹配。平台的灵活性还使工程师可以轻松地从一种类型的物理学转移到另一种物理，从而在不同的研究之间形成平稳的过渡。
通过他们的模拟发现，PSFC的工程师可以确保其真空容器（一旦制造）在ADX中表现良好。这些进步为制造核融合及其将提供的力量提供了新的潜力。
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