Paradoxen skrämde forskare vid det amerikanska energidepartementets (DOE) Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) för mer än ett dussin år sedan. Ju mer värme de strålade in i en sfärisk tokamak, en magnetisk anläggning designad för att reproducera fusionsenergin som driver solen och stjärnorna, desto mindre ökade den centrala temperaturen.

Stort mysterium

"Normalt gäller att ju mer strålkraft du lägger in, desto högre blir temperaturen", säger Stephen Jardin, chef för teori- och beräkningsvetenskapsgruppen som utförde beräkningarna och huvudförfattare till en föreslagen förklaring publicerad i Physical Review Letters . "Så det här var ett stort mysterium:Varför händer det här?"

Att lösa mysteriet kan bidra till ansträngningar runt om i världen för att skapa och kontrollera fusion på jorden för att producera en praktiskt taget outtömlig källa till säker, ren och kolfri energi för att generera elektricitet samtidigt som klimatförändringarna bekämpas. Fusion kombinerar lätta element i form av plasma för att frigöra enorma mängder energi.

Genom nya högupplösta datorsimuleringar visade Jardin och kollegor vad som kan göra att temperaturen förblir oförändrad eller till och med sjunker i mitten av plasman som underblåser fusionsreaktioner, även när mer värmeeffekt strålas in. En ökning av effekten ökar också trycket i plasman till den punkt där plasman blir instabil och plasmarörelsen planar ut temperaturen, fann de.

"Dessa simuleringar förklarar sannolikt en experimentell observation som gjordes för över 12 år sedan," sa Jardin. "Resultaten indikerar att när man utformar och driver sfäriska tokamak-experiment måste man se till att plasmatrycket inte överstiger vissa kritiska värden på vissa platser i [anläggningen]," sa han. "Och vi har nu ett sätt att kvantifiera dessa värden genom datorsimuleringar."

Resultaten lyfter fram ett viktigt hinder för forskare att undvika när de försöker reproducera fusionsreaktioner i sfäriska tokamaks - enheter som är mer formade som äpplen med kärnor än mer allmänt använda munkformade konventionella tokamaks. Sfäriska enheter producerar kostnadseffektiva magnetfält och är kandidater för att bli modeller för ett pilotfusionskraftverk.

Forskarna simulerade tidigare experiment på National Spherical Torus Experiment (NSTX), flaggskeppsfusionsanläggningen vid PPPL som sedan har uppgraderats, och där det förbryllande plasmabeteendet hade observerats. Resultaten var i stort sett parallella med de som hittades på NSTX-experimenten.

"Genom NSTX fick vi data och genom ett DOE-program som heter SciDAC [Scientific Discovery through Advanced Computing] utvecklade vi datorkoden som vi använde," sa Jardin.

Fysikern och medförfattaren Nate Ferraro från PPPL sa:"SciDAC-programmet var absolut avgörande för att utveckla koden."

Upptäckt mekanism

Den upptäckta mekanismen orsakade förhöjt tryck på vissa platser för att bryta upp de kapslade magnetiska ytorna som bildas av magnetfälten som sveper runt tokamak för att begränsa plasman. Upplösningen planade ut temperaturen på elektronerna inuti plasmat och höll därigenom temperaturen i mitten av den heta, laddade gasen från att stiga till fusionsrelevanta nivåer.

"Så vad vi nu tror är att när du höjer den injicerade strålkraften ökar du också plasmatrycket, och du kommer till en viss punkt där trycket börjar förstöra de magnetiska ytorna nära tokamakens centrum," sa Jardin, " och det är därför temperaturen slutar gå upp."

Denna mekanism kan vara allmän i sfäriska tokamaks, sa han, och eventuell förstörelse av ytor måste beaktas när framtida sfäriska tokamaks planeras.

Jardin planerar att fortsätta undersöka processen för att bättre förstå förstörelsen av magnetiska ytor och varför det verkar mer troligt i sfäriska än konventionella tokamaks. Han har också blivit inbjuden att presentera sina resultat för det årliga mötet för American Physical Society-Division of Plasma Physics (APS-DPP) i oktober, där forskare från tidiga karriärer kunde rekryteras för att ta upp frågan och fördjupa detaljerna i föreslagen mekanism. + Utforska vidare

Den senaste datorkoden kan främja ansträngningarna att utnyttja fusionsenergi