美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的研究人員對(duì)聚變等離子體中關(guān)鍵元素的理解提出了挑戰(zhàn)。問題在于準(zhǔn)確預(yù)測(cè)“自舉電流”的大小 - 自生電流 - 以及對(duì)托特馬克形狀的甜甜圈設(shè)施中等離子體邊緣的電流的理解。該自舉產(chǎn)生的電流與等離子體的核心中的電流組合以產(chǎn)生磁場(chǎng)以在實(shí)驗(yàn)期間將熱氣體保持在一起，并且可以在等離子體的邊緣處產(chǎn)生穩(wěn)定性。

當(dāng)壓力升高時(shí)，自舉電流出現(xiàn)在等離子體中。它首先在威斯康星大學(xué)被現(xiàn)任PPPL主任Stewart Prager和現(xiàn)任PPPL研究副主任的Michael Zarnstorff發(fā)現(xiàn)。Prager當(dāng)時(shí)是Zarnstorff的論文顧問。

物理理解和準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等離子體邊緣電流的大小對(duì)于預(yù)測(cè)其對(duì)可能降低聚變反應(yīng)堆性能的不穩(wěn)定性的影響至關(guān)重要。這種理解對(duì)ITER來說至關(guān)重要，ITER是法國正在建設(shè)的國際托卡馬克，以展示聚變能的可行性。這項(xiàng)工作得到美國能源部科學(xué)辦公室的支持。

這篇由物理學(xué)家Robert Hager和CS Chang領(lǐng)導(dǎo)的新論文發(fā)現(xiàn)，托卡馬克邊緣的自舉電流主要由“磁捕獲”電子攜帶，他是科學(xué)探索高級(jí)計(jì)算項(xiàng)目的邊緣物理仿真中心的領(lǐng)導(dǎo)者。不能像等離子體中的“通過”電子那樣自由地行進(jìn)。被困的粒子在托卡馬克的兩個(gè)點(diǎn)之間反彈，而通過的粒子一直圍繞它旋轉(zhuǎn)。

這一發(fā)現(xiàn)挑戰(zhàn)了傳統(tǒng)的理解，并解釋了托卡馬克邊緣的自舉電流如何如此之大，其中通過的電子數(shù)量很少。以前，物理學(xué)家認(rèn)為只有通過的電子才能攜帶自舉電流。“正確的電流建?？梢詼?zhǔn)確預(yù)測(cè)不穩(wěn)定性，”該論文的第一作者哈格說。

研究人員在Argonne領(lǐng)導(dǎo)計(jì)算機(jī)構(gòu)的Mira超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行了一個(gè)名為“XGCa”的高級(jí)全球代碼，該機(jī)構(gòu)是位于該部門阿貢國家實(shí)驗(yàn)室的DOE科學(xué)用戶設(shè)施辦公室。研究人員轉(zhuǎn)向新的全球代碼，該代碼模擬整個(gè)血漿體積，因?yàn)楦唵蔚谋镜赜?jì)算機(jī)代碼在基座區(qū)域可能變得不充分和不準(zhǔn)確。

許多XGCa模擬使Hager和Chang構(gòu)建了一個(gè)新的公式，大大提高了自舉電流預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。發(fā)現(xiàn)新公式與所研究的所有XGCa案例都很吻合，可以很容易地用于建?；蚍治龃a。