Forskare har fått ny inblick i en vanlig typ av ryckningar i plasma som orsakar störningar i fusionsreaktioner. Fynden kan enligt forskarna bidra till att fusionsenergin tagit ett stort steg närmare att bli verklighet.
En utmaning för att skapa fusionsenergi på jorden är att fånga in den laddade gasen som kallas plasma, vilken fungerar som bränsle i fusionsreaktioner inom ett starkt magnetfält, och hålla plasma så varmt och tät som möjligt, så länge som möjligt. Nu har forskare vid Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), som lyder under amerikanska energidepartementet, fått ny inblick i en vanlig typ av störningar som liknas vid hicka och är känd för att orsaka en sågtandliknande instabilitet, vilken kyler av den heta plasman i mitten och stör fusionsreaktionerna.
– Traditionella modeller förklarar de flesta fall av ”sågtandskrascher”, men det finns en envis undergrupp av observationer som vi aldrig har kunnat förklara. Att förklara de ovanliga händelserna skulle fylla en lucka i förståelsen av sågtandfenomenet som funnits i nästan 40 år, säger Christopher Smiet, fysiker vid PPPL och huvudförfattare till en studie om fenomenet.
Forskare har sedan årtionden känt till att temperaturen i fusionsplasmas kärna ofta stiger långsamt för att sedan plötsligt sjunka - en oönskad företeelse eftersom den svalare temperaturen minskar effektiviteten. Hittills har man trott att temperaturfallet beror på att en storhet som kallas säkerhetsfaktorn, som mäter stabiliteten i plasma, sjunker till nära 1. Säkerhetsfaktorn anger mycket vridning som finns i magnetfältet i den runda tokamakens fusionsanläggningar.
Vissa observationer tyder dock på att temperaturfallet inträffar när säkerhetsfaktorn sjunker till cirka 0,7. Detta är ganska förvånande och kan inte förklaras med de gängse teorierna.
Den nya insikten kommer inte från plasmafysik utan från abstrakt matematik. Den visar att när säkerhetsfaktorn antar specifika värden, varav en är nära 0,7, kan magnetfältet i plasmakärnan ändras till en annan konfiguration, kallad alternerande-hyperbolisk (”alternating-hyperbolic”).
– I den formen förloras plasma i kärnan. Plasma kastas ut från mitten i motsatta riktningar, säger Smiet.
De nya insikterna kan underlätta för forskarna att hålla kvar mer värme i plasman och producera fusionsreaktioner mer effektivt.
– Om vi inte kan förklara dessa tidigare observationer, förstår vi inte helt vad som händer i dessa maskiner. Att kringgå ”sågtandensinstabiliteten” kan leda till produktion av varmare, mer vriden plasma och ta oss ett steg närmare fusion, säger Smiet.
Smiet hoppas kunna verifiera den nya modellen genom att köra experimenten i en tokamak.