Som surfare som fångar havsvågor, partiklar i det varma, elektriskt laddat tillstånd av materia som kallas plasma kan åka vågor som oscillerar genom plasma under experiment för att undersöka produktionen av fusionsenergi. Svängningarna kan förskjuta partiklarna så långt att de flyr från den munkformade tokamaken som rymmer experimenten, kyla plasma och göra fusionsreaktioner mindre effektiva. Nu har ett team av fysiker som leds av US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) tagit fram en snabbare metod för att avgöra hur mycket denna interaktion mellan partiklar och vågor bidrar till effektivitetsförlusten i tokamaks.

Fusion, kraften som driver solen och stjärnorna, är sammansmältning av ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare runt om i världen försöker replikera fusion på jorden för en praktiskt taget outtömlig strömförsörjning för att generera el.

Metoden för att hjälpa till att bestämma effekten på fusion, publicerad i Plasmas fysik , beror på hur partiklarna i plasma fastnar i svängningarna. Partiklar fångade i en oscillation kan spåra en ovalliknande väg som kallas en resonansstruktur, vars bredd är en nyckelfaktor. Det är viktigt att bestämma bredden på den strukturen. "Om du vill veta hur stor effekt resonansen har på plasmapartiklarna, du behöver veta resonansbredden, "sade Roscoe White, en teoretisk fysiker på PPPL och huvudförfattare till uppsatsen.

Genom att köra simuleringar på kraftfulla PPPL -datorer, forskarna lärde sig hur en typ av plasmavibrationer som kallas en egenmod kan deformera resonansen och förändra hur den påverkar plasmapartiklar. "Vår forskning sticker ut för att vi tog hänsyn till egenlägesformen, som inte hade gjorts tidigare, "Sa White.

Det sätt på vilket egenmoder förändrar resonansstrukturer och därför beteendet hos plasmapartiklar spelar roll för forskare eftersom effekten kan minska ITER:s effektivitet, den multinationella anläggningen byggs i Frankrike för att demonstrera genomförbarheten av fusionskraft. "Ändringarna av partikelfördelningar genom elektromagnetiska oscillationer är ett viktigt problem för ITER, "White sa." Genom att studera dessa fenomen kan forskare förutsäga hur starka effekterna av svängningarna kommer att vara, och sedan konstruera sätt att eliminera vågorna, förhindra partikelförlust, och bibehålla fusionseffektivitet. "

Fynden kan användas för att skapa en reducerad datormodell med förenklade, ändå korrekt, kod som kan simulera plasmabeteende med färre beräkningar och därför på mycket kortare tid än nuvarande modeller tar. "Den bästa tillgängliga simuleringen av urladdning i DIII-D, tokamaken som drivs i San Diego av General Atomics, kan ta en superdator flera månader att slutföra, "sade Nikolai Gorelenkov, huvudforskningsfysiker vid PPPL och medförfattare till uppsatsen. "Det är för långt. Det yttersta målet är att använda simuleringar av partikel-våginteraktioner i plasma tillräckligt snabbt för att förutsäga var och när förluster kan inträffa, och vidta åtgärder för att undvika dessa förluster. "

Uppgiften blir mycket svårare när det gäller ITER. "En konservativ prognos för ITER är att simuleringar kommer att kräva cirka 1 miljon gånger fler beräkningar än vad som behövs för nuvarande tokamaks, "Sa Gorelenkov." Det är en oöverträffad mängd beräkning, så vi måste hitta sätt att göra simuleringen lättare att avsluta. "