Tänk på glödlampans glödtrådar som lyser när du vrider på en strömbrytare. Den glöden förekommer också i magnetiska fusionsanläggningar som kallas tokamaks som är designade för att utnyttja energin som driver solen och stjärnorna. Förstå hur resistivitet, processen som producerar glöden, påverkar dessa enheter kan hjälpa forskare att designa dem för att fungera mer effektivt.

Forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) har använt superdatorer och en toppmodern datorkod för att simulera plasma i fusionsenheter under ett bredare spektrum av förhållanden än någonsin tidigare. Denna nya förmåga hjälper forskare att förutsäga när plasman ska vara lugn och när den bör uppvisa enstaka energiskurar från plasmans kant, så kallade edge-localized modes (ELM). De nya simuleringarna avslöjade oväntat att huruvida dessa skurar inträffar kan starkt påverkas av plasmans resistivitet, egenskapen hos ett material som hindrar flödet av elektrisk ström. Detta fynd verkar förklara varför ELM:er förekommer i vissa tokamaks när de inte förväntades.

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

"Tidigare datorkoder kunde inte simulera plasmabeteende så exakt som vi skulle vilja, " sa PPPL fysiker Andreas Kleiner, huvudförfattare till en artikel som rapporterar resultaten i Kärnfusion . "Men modellen som presenteras i det här dokumentet producerar förbättrade simuleringar som kan hjälpa oss att lära oss mer effektivt att stabilisera plasman och utvinna dess värme för att göra elektricitet."

Forskarna studerade sfäriska tokamaks, kompakta fusionsanläggningar som liknar kärnade äpplen mer än den munkliknande formen hos konventionella tokamaks. Sfäriska tokamaks har minskad storlek och producerar kostnadseffektiv plasmainneslutning. "Tanken är att du kan få mer fusionskraft till lägre kostnad, " sa PPPL fysiker Nathaniel Ferraro, medförfattare till tidningen.

Den uppdaterade datorkoden som utvecklats av Kleiner kan förbättra sfäriska tokamaks genom att hjälpa till att förutsäga plasmaskurar kända som kantlokaliserade lägen (ELM). Dessa utbrott liknar solflammor och sprutar ut stora mängder partiklar som kyler plasman och kan skada tokamakens inre komponenter. Att förutsäga ELM kan hjälpa forskare att skräddarsy plasman för att undvika ELM och i slutändan justera plasman i farten för att minimera deras skadliga effekter.

"Detta är ett viktigt steg mot att bygga ett fusionskraftverk, ", sa Kleiner. "Eftersom energin i dessa enheter kommer att vara mycket stor, ELM kan äventyra maskinens struktur. Vi måste kunna förutsäga plasmabeteende så exakt som möjligt för dessa anläggningar."