Forskare som försöker föra fusionen som driver solen och stjärnorna till jorden måste hantera sågtandens instabilitet-svängningar upp och ner i det centrala trycket och temperaturen i plasma som driver fusionsreaktioner, liknande de sågade bladen på en såg. Om dessa gungor är tillräckligt stora, de kan leda till plötslig kollaps av hela urladdningen av plasma. Sådana svängningar observerades första gången 1974 och har hittills undgått en allmänt accepterad teori som förklarar experimentella observationer.

Överensstämmer med observationer

Forskare vid US Department of Energy's (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har föreslagit en ny teori för att förklara svängningarna som uppstår i munkformade tokamaker, eller fusionsanläggningar. Teorin, skapad genom högupplösta datasimuleringar, verkar överensstämma med observationer som gjorts under tokamak -experiment, sa forskarna. Att förstå processen kan visa sig vara avgörande för nästa generations fusionsanläggningar som ITER, det internationella experimentet under uppbyggnad i Frankrike för att demonstrera det praktiska med fusionskraft.

Fusion kombinerar ljuselement i form av plasma - det heta, materiens laddade tillstånd består av fria elektroner och atomkärnor - som genererar enorma mängder energi. Forskare som försöker replikera fusion på jorden har för avsikt att tillhandahålla en praktiskt taget outtömlig tillförsel av säker och ren kraft för att generera el.

De senaste fynden visar att när trycket i plasmakärnan når en viss punkt, andra instabiliteter kan upphetsas som ger plötsliga tryck och temperaturfall. Dessa instabiliteter skapar förvirrade - eller stokastiska - magnetfält i plasmakärnan som orsakar kollapsen, sa fysikern Stephen Jardin, huvudförfattare till ett papper som beskriver processen i Plasmas fysik och framhävs i en publicerad American Institute of Physics -publikation som heter "SciLight".

"De flesta tokamakutsläpp uppvisar sågtänder, "Sa Jardin, "och vi försöker ge teorin om fysiken bakom dem."

De nya fynden avviker starkt från en långvarig teori om att orsaken till svängningarna är en instabilitet som leder till magnetisk återanslutning-att bryta isär och knäppa ihop magnetfältlinjerna i plasma. "Den teorin har funnits i över 40 år, "Sa Jardin.

Motivera den nya teorin

Motiverande för den nya teorin är tidigare PPPL -forskning som visar hur instabiliteten som man trodde skulle leda till magnetisk återanslutning kan, faktiskt, självstabilisera plasma. Det gör detta genom att producera en lokal spänning som förhindrar att strömmen i kärnan i plasman når en topp som är tillräckligt hög för att utsättas för magnetisk återanslutning.

Den nya förklaringen säger att även om den magnetiska återanslutningen undertrycks, en ökning av värme i kärnan i plasman kan väcka lokaliserad instabilitet som fungerar tillsammans för att platta ut trycket och temperaturen under sågtandcykeln. Simuleringar producerade med koder utvecklade av Jardin och PPPL -fysikern Nate Ferraro, en medförfattare av tidningen, visa denna process. De nya instabiliteten kan växa mycket snabbt, överensstämmer med den snabba kollapsen av värme som ses i experiment som den traditionella teorin inte kan förklara.

Denna avancerade modell ger ett nytt sätt att förstå sågtandfenomen. Blickar framåt, forskarna vill undersöka modellens tillämplighet på uppgifter som att beskriva utvecklingen av "monstersågar" och att använda kraftfulla radiofrekvensantenner för att kontrollera sågtänder. "Vi vill utveckla en simuleringsmodell av en hel tokamakplasma, "Sa Jardin, "och denna nya teori om sågtänderna är en viktig del av ansträngningen."