En viktig utmaning inom fusionsforskning är att upprätthålla stabiliteten hos heta, laddad plasma som driver fusionsreaktioner inuti munkformade anläggningar som kallas "tokamaks". Fysiker vid U.S. Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), har nyligen funnit att drivande partiklar i plasma, som består av fria elektroner och atomkärnor, kan förhindra instabilitet som minskar trycket som är avgörande för högpresterande fusionsreaktioner inuti dessa anläggningar.

Fusion, kraften som driver solen och andra stjärnor, är sammansmältning av ljuselement i form av plasma som producerar massiva mängder energi. PPPL -forskare försöker studera och replikera fusion genom att värma plasma till superhotstemperaturer inuti en tokamak och begränsa den under tryck i spiral, magnetiska fält. Fysiker använder termen "beta" för att karakterisera hur trycket i värmen som produceras av en tokamak jämförs med trycket i magnetfältet som används för att innehålla plasma.

Forskning som leds av Zhirui Wang använde data från National Spherical Torus Experiment (NSTX), en sfärisk tokamak på PPPL formad som ett äpple med kärna som producerar hög beta-plasma. Resultaten av studien förklarar hur partiklar som driver och studsar inom fälten kan stabilisera högtrycks- och högpresterande plasma.

Sådana partiklar fastnar och studsar fram och tillbaka inom en begränsad del av magnetfälten istället för att passera hela omkretsen runt maskinen. Delarna själva kan driva runt maskinen. Den studsande och drivande kan sprida energi som annars skulle destabilisera plasma och störa fusionsreaktioner, hittade fysikerna.

Forskare märkte först avvikelser mellan NSTX -data och simuleringsprognoser. Genom att ändra koden för att ta hänsyn till de fångade partiklarna förbättrades överenskommelsen genom att ta fram simuleringar som tyder på att plasma skulle förbli stabilt längre under högt tryck, som NSTX -experimenten visade. "Vi fann att tokamaks kan gå till en högre beta eftersom plasma kommer att stabiliseras av dessa kinetiska effekter, "sa Wang, huvudförfattare till ett papper som beskriver resultaten i tidskriften Nuclear Fusion.

Förbättrade kinetiska simuleringar kan också leda till bättre förutsägelser och kontroll av plasmainstabilitet som kallas kantlokaliserade lägen (ELM), som uppträder vid kanten av högkapslade plasma och genom att släppa ut stora mängder energi till väggen kan väsentligt skada plasmavända komponenter i en fusionsreaktor. Bättre förutsägelser skulle göra det möjligt för forskare att förutse när en ELM är på väg att inträffa och justera magnetiska kontroller så att instabiliteten antingen dämpas eller helt undertrycks innan den urholkar materialen som omger fusionsplasma.

Övergripande resultat av denna forskning kan leda till förbättrad prestation av högpresterande fusionsplasma i dagens tokamaker och i ITER, det internationella experiment under uppbyggnad i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft.