Instabiliteter

To centrale begreber i fysik er ligevægt og stabilitet. At et system er i ligevægt, vil sige, at summen af alle kræfter og kraftmomenter på systemet er nul. Et system kan siges at være i stabil ligevægt, hvis en lille forskydning fra systemets ligevægt forårsager en kraft rettet modsat forskydningen. Et oplagt eksempel er en kugle, som ligger på bunden af en skål. Hvis man skubber lidt til kuglen, vil tyngdekraften virke i retningen tilbage mod skålens midte, og efter noget tid stopper bolden med at rulle rundt. Her vil den igen ligge på bunden af skålen – præcis ligesom hvis man aldrig havde skubbet til bolden i første omgang. Et system kan også være i ustabil ligevægt, hvilket vil sige, at en lille forskydning fra systemets ligevægt forårsager en kraft med samme retning som forskydningen. Et eksempel på et system i ustabil ligevægt er en blyant, som er blevet balanceret på den spidse ende. Umiddelbart er blyanten i ligevægt, men forskydes blyanten bare den mindste smule fra sin ligevægtsposition, vil tyngdekraften få blyanten til at vælte. Sagt på en anden måde: Systemer i stabil ligevægt vil fortsætte med at være i ligevægt i ubegrænset tid, mens systemer i ustabil ligevægt vil, på et tidspunkt, kollapse – altså forlade ligevægten.

Man kan også snakke om ligevægt for et plasma i en tokamak. Både kuglen i skålen og blyanten er på fast form, og for denne tilstandsform er begrebet ligevægt mere intuitivt at forstå, end det er for plasma. Nogle vil måske sige, at når et plasma er i ligevægt, vil ingen segmenter af plasmaet blive accelereret, og plasmaet siges at være i en stationær tilstand – altså en tilstand, hvor plasmaet ikke ændrer sig over tid. Dette er dog teknisk set ikke helt korrekt, og det er en anelse misvisende. Andre vil måske sige, at når plasmaet i en tokamak er i ligevægt, vil det ikke udvide sig eller flytte sig på en måde, der gør plasmaet umuligt at indeslutte over en længere periode. Dette er dog heller ikke en tilstrækkelig definition. For vores formål her er det tilstrækkeligt at forstå et plasma i ligevægt som et plasma, der kan indesluttes i en betydelig mængde tid.

Men hvad betyder 'en betydelig mængde tid'? Det har vist sig, at der findes mange forskellige instabiliteter for et plasma i ligevægt i en tokamak. Disse instabiliteter forhindrer plasmaet i at forblive i ligevægt i ubegrænset lang tid. I stedet for at forsøge at skabe et stabilt plasma i en tokamak vælger man at acceptere, at plasmaet aldrig helt vil være i stabil ligevægt. Til gengæld forsøger man at forudsige de instabiliteter, som uundgåeligt opstår, så de kan kontrolleres. Hermed undgås nogle af de uønskede konsekvenser ved instabiliteterne. Nogle af plasmaets instabiliteter kan være meget betydningsfulde og føre til, at hele eller dele af plasmaet kollapser, men de kan også være mindre betydningsfulde og "blot" forårsage turbulens i plasmaet. Turbulens er generelt ikke ønsket, da det fører til tab af både partikler og energi i plasmaet.


https://www.fusionsenergi.dk/viden-om-fusionsenergi/tokamak/instabiliteter
16 APRIL 2024