Wetenschappers die de fusie die de zon en de sterren aandrijft naar de aarde willen brengen, moeten omgaan met zaagtandinstabiliteiten - op en neer gaande schommelingen in de centrale druk en temperatuur van het plasma dat fusiereacties voedt, vergelijkbaar met de gekartelde bladen van een zaag. Als deze schommels groot genoeg zijn, ze kunnen leiden tot de plotselinge ineenstorting van de volledige ontlading van het plasma. Dergelijke schommelingen werden voor het eerst waargenomen in 1974 en zijn tot dusverre ontgaan aan een algemeen aanvaarde theorie die experimentele waarnemingen verklaart.

Consistent met waarnemingen

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben een nieuwe theorie voorgesteld om de schommelingen te verklaren die optreden in donutvormige tokamaks, of fusiefaciliteiten. De theorie, gemaakt door high-fidelity computersimulaties, lijkt consistent met waarnemingen gedaan tijdens tokamak-experimenten, aldus de onderzoekers. Inzicht in het proces kan van vitaal belang zijn voor fusiefaciliteiten van de volgende generatie, zoals ITER, het internationale experiment in aanbouw in Frankrijk om de bruikbaarheid van fusie-energie aan te tonen.

Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - die enorme hoeveelheden energie genereert. Wetenschappers die kernfusie op aarde willen nabootsen, willen een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie leveren om elektriciteit op te wekken.

De recente bevindingen tonen aan dat wanneer de druk in de kern van het plasma een bepaald punt bereikt, andere instabiliteiten kunnen worden opgewekt die de plotselinge druk- en temperatuurdalingen veroorzaken. Deze instabiliteiten creëren verwarde - of stochastische - magnetische velden in de kern van het plasma die de ineenstorting veroorzaken, zei natuurkundige Stephen Jardin, hoofdauteur van een paper waarin het proces wordt beschreven Fysica van plasma's en gemarkeerd in een aanbevolen publicatie van het American Institute of Physics genaamd "SciLight".

"De meeste tokamak-ontladingen vertonen zaagtanden, ' zei Jardin, "en we proberen de theorie van de fysica erachter te geven."

De nieuwe bevindingen wijken sterk af van een lang gekoesterde theorie dat het veroorzaken van de schommelingen een instabiliteit is die leidt tot magnetische herverbinding - het uiteenvallen en samenklikken van de magnetische veldlijnen in plasma. "Die theorie bestaat al meer dan 40 jaar, ' zei Jardin.

De nieuwe theorie motiveren

Het motiveren van de nieuwe theorie is eerder PPPL-onderzoek dat aantoont hoe de instabiliteit waarvan werd gedacht dat het zou leiden tot magnetische herverbinding, kan, in feite, zelfstabiliseren van het plasma. Het doet dit door een gelokaliseerde spanning te produceren die voorkomt dat de stroom in de kern van het plasma voldoende piekt om onderhevig te zijn aan magnetische herverbinding.

De nieuwe verklaring houdt in dat, hoewel de magnetische herverbinding wordt onderdrukt, een toename van warmte in de kern van het plasma kan plaatselijke instabiliteiten opwekken die samenwerken om de druk en temperatuur tijdens de zaagtandcyclus af te vlakken. Simulaties geproduceerd door codes ontwikkeld door Jardin en PPPL-natuurkundige Nate Ferraro, een co-auteur van het papier, dit proces demonstreren. De nieuwe instabiliteiten kunnen heel snel groeien, consistent met de snelle ineenstorting van warmte die wordt gezien in experimenten die de traditionele theorie niet kan verklaren.

Dit geavanceerde model biedt een nieuwe manier om zaagtandverschijnselen te begrijpen. Vooruit kijken, de wetenschappers willen de toepasbaarheid van het model onderzoeken voor taken zoals het beschrijven van de evolutie van "monsterzaagtanden" en het gebruik van krachtige radiofrequentieantennes om zaagtandzwaaien te regelen. "We willen een simulatiemodel ontwikkelen van een heel tokamak-plasma, ' zei Jardin, "en deze nieuwe theorie van de zaagtanden is een belangrijk onderdeel van de inspanning."