Fåglar gör det och det gör munkformade fusionsanläggningar som kallas "tokamaker". Men tokamakkvitter - en snabbt föränderlig frekvensvåg som kan vara långt över vad det mänskliga örat kan upptäcka - är knappast välkommen för forskare som försöker föra fusionen som driver solen och stjärnorna till jorden. Sådan kvittring signalerar en värmeförlust som kan bromsa fusionsreaktioner, en förlust som länge har förbryllat forskare.

Att sammansätta pusslet är att vissa tokamaker kvittrar oftare än andra. Till exempel, kvittringar har vanligen förekommit i National Spherical Torus Experiment Upgrade (NSTX-U) vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Laboratory (PPPL), men har varit sällsynta i DIII-D National Fusion Facility tokamak som General Atomics driver för DOE i San Diego. Att förstå varför vissa tokamaker kvittrar och vissa inte är viktigt så att forskare kan förutsäga och så småningom lära sig att undvika sådant kvittring i ITER -tokamaken, den internationella fusionsreaktorn som byggs i södra Frankrike för att demonstrera praktiska fusionsenergier.

I en fusionsreaktor som ITER, fusionsreaktioner producerar "snabba joner" - mycket energiska atomkärnor som forskare förlitar sig på för att upprätthålla de höga plasmatemperaturer som behövs för att hålla plasman varm. Sådana joner är som en snabb vind som, under vissa förutsättningar, kan excitera vågor som kallas "Alfvén -vågor" i den heta plasma - ungefär som de musiknoter som produceras genom att blåsa in ett blåsinstrument. Om den snabba jonvinden är tillräckligt stark börjar Alfvén -vågorna kvittra, vilket kommer att orsaka energiförlust, sänka plasmatemperaturen och fusionseffekten.

Tillstånd som leder till kvittring

Forskare under ledning av PPPL -forskare har nu modellerat de plasmaförhållanden som ger upphov till kvittringar och förutsäger när det kommer att inträffa. Datormodellen, framgångsrikt testad på DIII-D tokamak, beskriver effekten av turbulens - den slumpmässiga fluktuationen av plasma som kan leda till värme och partikelförlust - på de snabba jonerna. Modellen visar att turbulensen i plasma hjälper till att bryta upp eller sprida den snabba jonvinden. Om spridningen är tillräckligt stark har de snabba jonerna inte längre styrkan att orsaka Alfvén -vågkvittring och värmeförlusten från plasma kan reduceras.

Tills nyligen, att hitta direkta bevis för turbulensens roll för att påverka styrkan hos den snabba jonvinden och dess roll vid kvittring har varit utmanande. De senaste DIII-D-experimenten har nu avslöjat det intima sambandet mellan turbulensnivåer och plasmans kvittring.

I dessa experiment, den snabba jonvinden gav en enda Alfvén -ton i plasma, ungefär som en enda ton i ett blåsinstrument. Sedan, när plasman spontant övergår till ett nytt förbättrat tillstånd av inneslutning med låga turbulensnivåer, Alfvén -noten börjar kvittra snabbt.

Denna början av kvittring är tydligt kopplad till minskningen av turbulens, eftersom lägre turbulens inte längre kan sprida den snabba jonvinden, låta den bygga upp tillräckligt för att driva Alfvén -vågorna hårdare och få dem att börja kvittra. "Den sammanhängande rörelsen för snabba jonbuntar när turbulensen minskar ger upphov till kvittring och läckage och värme i samband med kvittring, "sa Vinícius Duarte, en PPPL -associerad forskningsfysiker och tidigare gästforskare från University of São Paulo, Brasilien, som är huvudförfattare till ett papper som beskriver resultaten i Plasmas fysik och presenterades som en "Scilight" - en vetenskaplig höjdpunkt - av American Institute of Physics.

Varför några plasmas kvittrar

Teorin som utvecklats av Duarte indikerar också varför vissa plasma kvittrar och andra inte. Förklaringen är att turbulens är mycket mindre effektiv för att sprida den snabba jonvinden i vissa enheter jämfört med andra. Nästa steg blir att använda denna kunskap för att utforma metoder för att förhindra kvittring i nuvarande experiment, och att använda sådana metoder vid konstruktion av framtida fusionsreaktorer som ITER.