Zoals vuur as voortbrengt, het combineren van lichte elementen in fusiereacties kan materiaal produceren dat uiteindelijk diezelfde reacties verstoort. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben bewijs gevonden dat suggereert dat een proces het ongewenste materiaal zou kunnen verwijderen en de fusieprocessen efficiënter zou kunnen maken binnen een type fusie-installatie die bekend staat als een veldomgekeerde configuratie ( FRC) apparaat.

Binnen alle fusiemachines, elektronen en atoomkernen, of ionen, wervelen in een soort soep die bekend staat als plasma. Tijdens het fusieproces voorgesteld voor een FRC, de kernen van deuterium en helium-3, waterstof- en heliumatomen met elk één neutron, combineren en daarbij grote hoeveelheden energie vrijgeven. Natuurkundigen onderzoeken momenteel hoe de brandstofdeeltjes het beste in magnetische velden kunnen worden gevangen om het aantal fusiereacties te maximaliseren en tegelijkertijd schade aan de wanden van de machine te voorkomen door energetische deeltjes die uit de magnetische fles ontsnappen. Het doel van elk fusie-energie-experiment is om op aarde het fusieproces in de zon en de sterren na te bootsen om vrijwel grenzeloze energie te produceren.

FRC-machines verschillen van donutvormige tokamaks en bochtige, cruller-achtige stellarators die momenteel de go-to-ontwerpen zijn voor fusiefaciliteiten over de hele wereld. FRC's beperken plasma bij hogere temperaturen dan tokamaks, maar vereisen slechts één set elektromagnetische spoelen in eenvoudige cirkels. In aanvulling, in plaats van de ronde containers in tokamaks en stellarators, FRC's creëren velden die zich uitstrekken tussen twee eindpunten die bijna lineair zijn, waardoor een FRC-apparaat met laag vermogen mogelijk geschikt is als een door fusie aangedreven raketmotor voor voortstuwing van ruimtevaartuigen.

Onlangs, echter, nieuw onderzoek bij PPPL heeft laten doorschemeren dat, met het juiste ontwerp, FRC's kunnen stabiele plasma's produceren. En omdat de PPPL-variant van de FRC naar verwachting veel minder hoogenergetische neutronen zal produceren dan tokamaks, dat type FRC-reactor zou minder afscherming vereisen om interne en omringende apparatuur te beschermen.

Het onderzoek begon vijf jaar geleden toen student Matt Chu-Cheong en Samuel Cohen, hoofdonderzoeker van de FRC-experimenten van het Laboratorium, begon na te denken over hoe de asdeeltjes die in hypothetische toekomstige FRC-reactoren zijn ontstaan, kunnen worden verwijderd. Hun berekeningen suggereerden dat de ongewenste deeltjes langzaam zouden migreren naar de "afschraaplaag" die het plasma verbindt met de materiële oppervlakken van het vat. Bij het in- en uitgaan van deze relatief koele regio, de deeltjes zouden energie verliezen en vertragen, net zoals ruimtevaartuigen snelheid kunnen verminderen door in de atmosfeer van een planeet te duiken. Eventueel, de deeltjes zouden genoeg snelheid verliezen om in de afschraaplaag te blijven en naar een uitlaatsysteem te worden geleid dat ze uit het plasma verwijderde.

De deeltjes zouden door hun hoge energie automatisch in de afschraaplaag terechtkomen. "Dit is een nette manier om fusieproducten uit de kern te verwijderen en te voorkomen dat ze zich ophopen, " zei Evans, een hoofdauteur van een paper in Physics of Plasmas die de processen rigoureus onderzocht.

Evans en Cohen vreesden, echter, dat als de elektronen in de afschraaplaag te koud zouden zijn, ze bewegen mogelijk niet snel genoeg om de ionen op te sluiten en hun verwijdering te veroorzaken. "Als de elektronen te langzaam bewegen, "Cohen zei, "ze kunnen de snelle ionen niet bijhouden en de ionen voelen niet veel van een slepende kracht."

Evans formuleerde een hypothese en voerde vervolgens gedetailleerde simulaties uit op krachtige computers in het National Energy Research Scientific Computing Center (NERSC), een DOE Office of Science User Facility in het Lawrence Berkeley National Laboratory. De simulaties, die rekening hield met de magnetische velden van de hypothetische FRC-machine en de effecten van de koude elektronen, produceerde gegevens die suggereren dat asdeeltjes in een FRC-reactor uit het plasma zouden worden verwijderd, hoewel langzamer dan de theorieën die in 1960 werden voorspeld. Hoe dan ook, de voorspelde verwijderingssnelheid was voldoende om de asionen uit te putten en te voorkomen dat ze interfereren met fusiereacties in toekomstige FRC-plasma's.

De resultaten waren buitengewoon bemoedigend. "Mijn belangrijkste reactie was de opluchting dat de simulaties zijn gelukt, dat onze eerdere schattingen goed waren, en dat we in ieder geval in deze simulaties geen reden zagen waarom dit proces niet zou werken, "Zei Evans. "Met andere woorden, tot dusver, geweldig."