Den heta joniserade gasen som kallas plasma är begränsad i en bagelformad tokamak av ett starkt magnetfält, varav en del genereras av en stark elektrisk ström som flödar genom plasma. Periodiskt, en sågtand instabilitet uppstår. Det får den centrala plasmatemperaturen att plötsligt sjunka och sedan återhämta sig i ett sågtandmönster. Instabiliteten begränsar hur mycket ström som kan koncentreras i mitten av plasma. Dock, det finns typer av tokamakplasma för vilka en tidigare okänd mekanism, kallas magnetflödespumpning, begränsar strömmen i plasmacentret så att den stannar strax under sågtandströskeln. Forskare undrade över hur denna självreglerande mekanism fungerar. Resultaten av mycket komplexa numeriska simuleringar föreslår nu ett möjligt svar.

Sågtandens instabilitet kan utlösa andra problem som kan leda till försämring eller till och med förlust av plasmakapacitet. Således, hybridscenarier där magnetiskt flöde pumpar förhindrar sågtandens instabilitet är av intresse. Detta gäller särskilt för framtida storskaliga fusionsexperiment, som ITER. För att extrapolera tillgängligheten och egenskaperna för hybridscenarier till ITER, det är viktigt att förstå fysiken bakom magnetisk flödespumpning. Med hjälp av genomarbetade simuleringar, forskare kan nu hitta en möjlig förklaring till detta fenomen.

Mekanismen bakom magnetflödet som pumpar i de numeriska simuleringarna fungerar enligt följande:om den centrala strömprofilen är plan och om det centrala plasmatrycket är tillräckligt högt, ett kvasi-utbytesläge utvecklas i plasmakärnan. Kvasi-utbytesläget genererar ett storskaligt spiralformat flöde av plasma som-nästan som en mixer-ständigt rör om den centrala plasman. På samma gång, magnetfältet i plasmakärnan deformeras.

Det är här en dynamoeffekt kommer in. Dynamoeffekten spelar en viktig roll för många astrofysiska fenomen såväl som för mekanismen som upprätthåller jordens magnetfält. Den beskriver hur en särskilt rörlig rörelse av en elektriskt ledande vätska kan förstärka ett befintligt magnetfält. När det gäller jordens magnetfält, vätskan är den flytande delen av jordens järnkärna. I fallet med hybrid tokamak -scenariot, vätskan är den heta plasma i mitten av tokamak. I det senare fallet, det är genom en dynamoeffekt som det spiralformade plasmaflödet och den spiralformade deformationen av magnetfältet kombineras för att ge en negativ spänning som håller den centrala strömmen plan. Genom att hålla strömmen i plasmacentret plant, sågtandens instabilitet förhindras.

De numeriska simuleringarna förklarar också hur denna magnetiska flödespumpning reglerar sig själv:Kvasiutbytesläget är känt för att fungera bäst om den centrala strömmen är vid en viss tröskel-vilket sammanfaller med tröskeln för sågtandens instabilitet. När flödespumpmekanismen blir för stark, det försvagar kvasi-utbytesläget och därför sin egen enhet. Så begränsas flödespumpningens styrka så att den håller den centrala strömmen strax under tröskeln för sågtandens instabilitet.