Een belangrijke uitdaging bij fusieonderzoek is het handhaven van de stabiliteit van de hete, geladen plasma dat fusiereacties voedt in donutvormige faciliteiten die 'tokamaks' worden genoemd. Natuurkundigen van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE), hebben onlangs ontdekt dat zwevende deeltjes in het plasma, die bestaat uit vrije elektronen en atoomkernen, kan instabiliteiten voorkomen die de druk verminderen die cruciaal is voor krachtige fusiereacties in deze faciliteiten.

Fusie, de kracht die de zon en andere sterren aandrijft, is het samensmelten van lichte elementen in de vorm van plasma dat enorme hoeveelheden energie produceert. PPPL-wetenschappers proberen fusie te bestuderen en te repliceren door het plasma in een tokamak te verhitten tot superhete temperaturen en het onder druk op te sluiten in spiralen, magnetische velden. Natuurkundigen gebruiken de term "bèta" om te karakteriseren hoe de druk van de warmte die door een tokamak wordt geproduceerd zich verhoudt tot de druk van het magnetische veld dat wordt gebruikt om het plasma te bevatten.

Onderzoek onder leiding van Zhirui Wang gebruikte gegevens van het National Spherical Torus Experiment (NSTX), een bolvormige tokamak bij PPPL in de vorm van een appel zonder klokhuis die plasma's met een hoge bèta produceert. Bevindingen van de studie verklaren hoe deeltjes die in de velden drijven en stuiteren, hogedruk- en goed presterende plasma's kunnen stabiliseren.

Dergelijke deeltjes worden gevangen en stuiteren heen en weer binnen een beperkt deel van de magnetische velden in plaats van hun hele omtrek rond de machine te doorlopen. De porties zelf kunnen rond de machine drijven. Het stuiteren en drijven kan energie dissiperen die anders het plasma zou kunnen destabiliseren en interfereren met fusiereacties, vonden de fysici.

Onderzoekers merkten voor het eerst discrepanties op tussen de NSTX-gegevens en simulatievoorspellingen. Het aanpassen van de code om rekening te houden met de ingesloten deeltjes verbeterde de overeenkomst door simulaties te produceren die suggereren dat het plasma langer stabiel zou blijven onder hoge druk, zoals de NSTX-experimenten lieten zien. "We ontdekten dat tokamaks naar een hogere bèta kunnen gaan omdat het plasma zal worden gestabiliseerd door deze kinetische effecten, " zei Wang, hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden beschreven in het tijdschrift Nuclear Fusion.

Verbeterde kinetische simulaties kunnen ook leiden tot betere voorspellingen en controle van plasma-instabiliteiten die bekend staan ​​als edge-localized modes (ELM's), die verschijnen aan de rand van plasma's met een hoge opsluiting en door grote hoeveelheden energie aan de wand af te geven, kunnen plasmagerichte componenten in een fusiereactor aanzienlijk beschadigen. Betere voorspellingen zouden wetenschappers in staat stellen te voorzien wanneer een ELM op het punt staat zich voor te doen en magnetische controles aan te passen, zodat de instabiliteit wordt verminderd of volledig onderdrukt voordat deze de materialen rondom het fusieplasma erodeert.

Algemene bevindingen van dit onderzoek zouden kunnen leiden tot een betere prestatie van hoogwaardige fusieplasma's in hedendaagse tokamaks en in ITER, het internationale experiment in aanbouw in Frankrijk om de haalbaarheid van fusie-energie aan te tonen.