En utmaning för att skapa fusionsenergi på jorden är att fånga den laddade gasen känd som plasma som bränsle till fusionsreaktioner inom ett starkt magnetfält och hålla plasman så varm och tät som möjligt så länge som möjligt. Nu, forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har fått ny insikt i en vanlig typ av hicka känd som sågtandsinstabiliteten som kyler den heta plasman i centrum och stör fusionsreaktionerna. Dessa fynd kan hjälpa till att föra fusionsenergi närmare verkligheten.

"Konventionella modeller förklarar de flesta fall av sågtandskrascher, men det finns en ihärdig delmängd av observationer som vi aldrig har kunnat förklara, " sa PPPL fysiker Christopher Smiet, huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Kärnfusion . "Att förklara dessa ovanliga händelser skulle fylla en lucka i förståelsen av sågtandsfenomenet som har funnits i nästan 40 år."

Fusion kombinerar lätta element i form av plasma – det varma, laddat tillstånd av materia som består av fria elektroner och atomkärnor – och genererar i processen enorma mängder energi i solen och stjärnorna. Forskare försöker replikera fusion i enheter på jorden för en praktiskt taget outtömlig tillgång på säker och ren kraft för att generera elektricitet.

Forskare har vetat i decennier att temperaturen i kärnan av fusionsplasma ofta stiger långsamt och kan sedan plötsligt sjunka - en oönskad händelse eftersom den svalare temperaturen minskar effektiviteten. Den rådande teorin är att kraschen inträffar när en storhet som kallas säkerhetsfaktorn, som mäter plasmans stabilitet, sjunker till ett mått på nära 1. Säkerhetsfaktorn relaterar till hur mycket vridning som finns i magnetfältet i de munkformade tokamakfusionsanläggningarna.

Dock, vissa observationer tyder på att temperaturkraschen inträffar när säkerhetsfaktorn sjunker till runt 0,7. Detta är ganska överraskande och kan inte förklaras av de mest allmänt accepterade teorierna.

Den nya insikten, kommer inte från plasmafysik utan från abstrakt matematik, visar att när säkerhetsfaktorn tar specifika värden, varav en är nära 0,7, magnetfältet i plasmakärnan kan ändras till en annan konfiguration som kallas alternerande-hyperbolisk. "I denna topologi, plasman går förlorad i kärnan, " säger Smiet. "Plaman skjuts ut från centrum i motsatta riktningar. Detta leder till ett nytt sätt för den magnetiska buren att delvis spricka, för att temperaturen i kärnan plötsligt ska sjunka, och för att processen ska upprepas när magnetfältet och temperaturen långsamt återhämtar sig."

De nya insikterna föreslår en spännande ny forskningsriktning mot att hålla mer värme i plasman och producera fusionsreaktioner mer effektivt. "Om vi ​​inte kan förklara dessa extrema observationer, då förstår vi inte helt vad som händer i dessa maskiner, Smiet sa. "Att motverka sågtandsinstabiliteten kan leda till att man producerar varmare, mer vridna plasma och för oss närmare fusion."

Denna modell uppstod från rent abstrakt matematisk forskning. Smiet hittade ett matematiskt sätt att beskriva magnetfältet i mitten av en tokamak. Alla möjliga konfigurationer kan sedan associeras med en algebraisk struktur som kallas en Lie-grupp. "Matematiken är verkligen ganska vacker, ", säger Smiet. "Denna matematiska grupp ger dig en fågelperspektiv över alla möjliga magnetiska konfigurationer och när en konfiguration kan ändras till en annan."

Den nya modellen visar att en av de gånger den magnetiska konfigurationen i en tokamak kan förändras är när säkerhetsfaktorn faller till exakt två tredjedelar, eller 0,666. "Detta är kusligt nära värdet på 0,7 som har setts i experiment, särskilt när experimentell osäkerhet beaktas, " sa Smiet. "En av de vackraste delarna av dessa resultat, " han sa, "är att de kom från att bara nudda runt med ren matematik."

Smiet hoppas kunna verifiera den nya modellen genom att köra experiment på en tokamak. "Matematiken har visat oss vad vi ska leta efter, " han sa, "så nu borde vi kunna se det."