Een uitdaging voor het creëren van fusie-energie op aarde is het vasthouden van het geladen gas dat bekend staat als plasma dat fusiereacties in een sterk magnetisch veld voedt en het plasma zo lang mogelijk zo heet en dicht mogelijk te houden. Nutsvoorzieningen, wetenschappers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben nieuw inzicht gekregen in een veelvoorkomend type hik dat bekend staat als de zaagtandinstabiliteit die het hete plasma in het centrum afkoelt en de fusiereacties verstoort. Deze bevindingen kunnen helpen om fusie-energie dichter bij de realiteit te brengen.

"Conventionele modellen verklaren de meeste gevallen van de zaagtandcrashes, maar er is een hardnekkige subset van observaties die we nooit hebben kunnen verklaren, " zei PPPL-natuurkundige Christopher Smiet, hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in Kernfusie . "Het verklaren van die ongewone gebeurtenissen zou een leemte opvullen in het begrijpen van het zaagtandfenomeen dat al bijna 40 jaar bestaat."

Fusion combineert lichte elementen in de vorm van plasma - het hete, geladen toestand van materie bestaande uit vrije elektronen en atoomkernen - en genereert daarbij enorme hoeveelheden energie in de zon en de sterren. Wetenschappers proberen fusie in apparaten op aarde te repliceren voor een vrijwel onuitputtelijke voorraad veilige en schone energie om elektriciteit op te wekken.

Onderzoekers weten al tientallen jaren dat de temperatuur in de kern van fusieplasma vaak langzaam stijgt en dan plotseling kan dalen - een ongewenste gebeurtenis omdat de lagere temperatuur de efficiëntie vermindert. De heersende theorie is dat de crash optreedt wanneer een grootheid die de veiligheidsfactor wordt genoemd, die de stabiliteit van het plasma meet, daalt tot een meting van bijna 1. De veiligheidsfactor heeft betrekking op de hoeveelheid draaiing in het magnetische veld in de donutvormige tokamak-fusie-installaties.

Echter, sommige waarnemingen suggereren dat de temperatuurcrash optreedt wanneer de veiligheidsfactor daalt tot ongeveer 0,7. Dit is nogal verrassend en kan niet worden verklaard door de meest algemeen aanvaarde theorieën.

Het nieuwe inzicht, komt niet uit plasmafysica maar uit abstracte wiskunde, laat zien dat wanneer de veiligheidsfactor specifieke waarden aanneemt, waarvan er één bijna 0,7 is, het magnetische veld in de plasmakern kan veranderen in een andere configuratie die alternerend-hyperbolisch wordt genoemd. "In deze topologie, het plasma gaat verloren in de kern, ' zegt Smiet. 'Het plasma wordt in tegengestelde richtingen uit het centrum verdreven. Dit leidt tot een nieuwe manier waarop de magnetische kooi gedeeltelijk kan barsten, om de temperatuur in de kern plotseling te laten dalen, en dat het proces zich herhaalt terwijl het magnetische veld en de temperatuur langzaam herstellen."

De nieuwe inzichten suggereren een opwindende nieuwe onderzoeksrichting om meer warmte in het plasma te houden en efficiënter fusiereacties te produceren. "Als we deze uitschieters niet kunnen verklaren, dan begrijpen we niet helemaal wat er in deze machines gebeurt, Smiet zei. "Het tegengaan van de zaagtandinstabiliteit kan leiden tot het produceren van heter, meer bochtige plasma's en brengen ons dichter bij fusie."

Dit model is ontstaan ​​uit puur abstract wiskundig onderzoek. Smiet vond een wiskundige manier om het magnetische veld in het centrum van een tokamak te beschrijven. Alle mogelijke configuraties kunnen dan worden geassocieerd met een algebraïsche structuur die een Lie-groep wordt genoemd. "De wiskunde is echt heel mooi, "zegt Smiet. "Deze wiskundige groep geeft je een overzicht in vogelvlucht van alle mogelijke magnetische configuraties en wanneer de ene configuratie in de andere kan veranderen."

Het nieuwe model laat zien dat een van de keren dat de magnetische configuratie in een tokamak kan veranderen, is wanneer de veiligheidsfactor daalt tot precies tweederde, of 0,666. "Dit is griezelig dicht bij de waarde van 0,7 die is gezien in experimenten, vooral als er rekening wordt gehouden met experimentele onzekerheid, " zei Smiet. "Een van de mooiste delen van deze resultaten, " hij zei, "is dat ze zijn ontstaan ​​door gewoon te rommelen met pure wiskunde."

Smiet hoopt het nieuwe model te verifiëren door experimenten uit te voeren op een tokamak. "De wiskunde heeft ons laten zien waar we naar moeten zoeken, " hij zei, "Dus nu zouden we het moeten kunnen zien."