美國(guó)能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的物理學(xué)家?guī)椭_(kāi)發(fā)了一種稱為托卡馬克的圓環(huán)形融合機(jī)中等離子體穩(wěn)定性的新計(jì)算機(jī)模型。新模型結(jié)合了從相關(guān)研究工作中收集的最新發(fā)現(xiàn)，并簡(jiǎn)化了所涉及的物理因素，因此計(jì)算機(jī)可以更快地處理程序。該模型可以幫助科學(xué)家預(yù)測(cè)等離子體何時(shí)變得不穩(wěn)定，然后避免潛在的條件。

等離子體穩(wěn)定性代碼部分由哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理和應(yīng)用數(shù)學(xué)系的研究科學(xué)家Jack Berkery撰寫，他與PPPL有近10年的關(guān)系。他與哥倫比亞大學(xué)應(yīng)用物理學(xué)高級(jí)研究科學(xué)家兼副教授Steve Sabbagh一起從事這個(gè)項(xiàng)目，他與PPPL合作了將近三十年。Berkery和Sabbagh都是PPPL的哥倫比亞集團(tuán)的一部分。

這項(xiàng)新研究是物理學(xué)家共同努力開(kāi)發(fā)更大，更強(qiáng)大的等離子體穩(wěn)定計(jì)算機(jī)程序的最新研究，稱為中斷事件表征和預(yù)測(cè)(DECAF)代碼，可預(yù)測(cè)并幫助避免中斷。

在托卡馬克等離子體中，許多力平衡以產(chǎn)生穩(wěn)定的平衡。一種力是由等離子體的固有特性產(chǎn)生的膨脹壓力 - 一種帶電粒子的湯。另一種力是由磁鐵限制等離子體產(chǎn)生的，防止它接觸托卡馬克的內(nèi)壁并冷卻下來(lái)。

等離子體物理學(xué)家和工程師希望等離子體處于盡可能多的磁場(chǎng)壓力下，因?yàn)楦邏阂馕吨入x子體粒子更頻繁地相互作用，增加了聚變反應(yīng)發(fā)生的機(jī)會(huì)和托卡馬克產(chǎn)生的熱量。Berkery和Sabbagh過(guò)去在PPPL上進(jìn)行的包括國(guó)家球形圓環(huán)實(shí)驗(yàn)升級(jí)(NSTX-U)在內(nèi)的機(jī)器上的研究表明，如果等離子體的其他特性，如旋轉(zhuǎn)方式，可以以穩(wěn)定的方式包含高等離子體壓力，有特殊的特點(diǎn)。

“理想情況下，你想要在高壓下操作tokamaks，因?yàn)橐@得良好的融合性能，你希望擁有最高的壓力，”Berkery繼續(xù)道。“不幸的是，當(dāng)你這樣做時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定性。因此，如果你能找到穩(wěn)定等離子體的方法，那么你可以在更高的壓力下操作你的托卡馬克。”

編寫更新的程序是為了預(yù)測(cè)最適合高壓等離子體的條件。然而，該程序只是DECAF代碼的一個(gè)組成部分，其中包括許多模塊，每個(gè)模塊監(jiān)視等離子體的不同方面，以確定等離子體何時(shí)變得不穩(wěn)定。“多年來(lái)，我們一直在調(diào)查哪些條件導(dǎo)致不穩(wěn)定以及我們?nèi)绾闻Ρ苊膺@些條件，”Berkery說(shuō)。

該代碼收集的信息包括等離子體的密度，溫度和等離子體旋轉(zhuǎn)的形狀。然后計(jì)算這些條件的哪些組合產(chǎn)生穩(wěn)定的等離子體，同時(shí)揭示哪種條件組合產(chǎn)生不穩(wěn)定的等離子體。新代碼專門尋找即將出現(xiàn)的不穩(wěn)定狀態(tài)的跡象，稱為電阻壁模式。當(dāng)引起等離子體膨脹的力比限制等離子體的力更強(qiáng)時(shí)，等離子體進(jìn)入該狀態(tài)。等離子體的內(nèi)在磁場(chǎng)然后向外擴(kuò)展并撞擊托卡馬克墻壁的內(nèi)部。