Denk aan gloeilampen die gloeien als je een schakelaar omdraait. Die gloed komt ook voor in magnetische fusiefaciliteiten, bekend als tokamaks, die zijn ontworpen om de energie te benutten die de zon en de sterren aandrijven. Begrijpen hoe weerstand, het proces dat de gloed produceert, effecten op deze apparaten kunnen wetenschappers helpen ze te ontwerpen om efficiënter te werken.

Onderzoekers van het Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL) van het Amerikaanse Department of Energy (DOE) hebben supercomputers en een ultramoderne computercode gebruikt om plasma in fusie-apparaten te simuleren onder een breder scala aan omstandigheden dan ooit tevoren. Deze nieuwe mogelijkheid helpt onderzoekers te voorspellen wanneer het plasma kalm moet zijn en wanneer het af en toe energie-uitbarstingen van de rand van het plasma moet vertonen, ook wel edge-localized modes (ELM's) genoemd. De nieuwe simulaties onthulden onverwacht dat het optreden van deze uitbarstingen sterk kan worden beïnvloed door de weerstand van het plasma, de eigenschap van een materiaal dat de stroom van elektrische stroom blokkeert. Deze bevinding lijkt te verklaren waarom ELM's in sommige tokamaks verschijnen terwijl ze niet werden verwacht.

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 proberen fusie op aarde na te bootsen voor een vrijwel onuitputtelijke stroomvoorziening om elektriciteit op te wekken.

"Vorige computercodes konden plasmagedrag niet zo nauwkeurig simuleren als we zouden willen, " zei PPPL-natuurkundige Andreas Kleiner, hoofdauteur van een paper waarin de resultaten worden gerapporteerd in Kernfusie . "Maar het model dat in dit artikel wordt gepresenteerd, produceert verbeterde simulaties die ons kunnen helpen te leren hoe we het plasma effectiever kunnen stabiliseren en de warmte ervan kunnen onttrekken om elektriciteit te maken."

De onderzoekers bestudeerden bolvormige tokamaks, compacte fusiefaciliteiten die meer op appels zonder klokhuis lijken dan op de donutachtige vorm van conventionele tokamaks. Sferische tokamaks zijn kleiner en produceren kosteneffectieve plasma-opsluiting. "Het idee is dat je meer fusie-energie kunt krijgen voor minder kosten, " zei PPPL-natuurkundige Nathaniel Ferraro, een co-auteur van het artikel.

De bijgewerkte computercode die door Kleiner is ontwikkeld, zou sferische tokamaks kunnen verbeteren door plasma-uitbarstingen te voorspellen die bekend staan ​​​​als edge-localized modes (ELM's). Deze uitbarstingen lijken op zonnevlammen en stoten grote hoeveelheden deeltjes uit die het plasma afkoelen en de interne componenten van de tokamak kunnen beschadigen. Het voorspellen van ELM's kan onderzoekers helpen het plasma aan te passen om ELM's te vermijden en uiteindelijk het plasma direct aan te passen om hun schadelijke effecten te minimaliseren.

"Dit is een belangrijke stap in de richting van de bouw van een fusiecentrale, " zei Kleiner. "Omdat de energie in deze apparaten erg groot zal zijn, ELM's kunnen de structuur van de machine in gevaar brengen. Voor deze faciliteiten moeten we het plasmagedrag zo nauwkeurig mogelijk kunnen voorspellen."