美國能源部/普林斯頓等離子物理實驗室-核聚變是驅動太陽和恒星的能量，產生大量的能量。地球上的科學家們試圖復制這一過程，將光元素以由自由電子和原子核組成的熱帶電等離子體的形式融合在一起，創造出幾乎取之不盡、用之不竭的電力供應，在所謂的“瓶中之星”中發電。
在努力捕捉地球上核聚變的力量的過程中，一個長期的難題是如何減少或消除等離子體中常見的不穩定性，這種不穩定性被稱為邊緣局域模(ELMs)。就像太陽以太陽耀斑的形式釋放出巨大的能量一樣，像榆樹一樣的耀斑也能猛烈撞擊容納聚變反應的環形托卡馬克容器壁，有可能破壞反應堆壁。
紋波控制新的脈沖
為了控制這些爆發，科學家們用一種叫做共振磁擾動（RMPs）的微小磁波干擾等離子體，這種擾動會扭曲等離子體的光滑圓環狀，釋放額外的壓力，從而減輕或阻止ELMs的發生。最困難的部分是產生正確數量的三維失真，以消除ELMs，同時又不引發其他不穩定性，并且釋放出太多能量，在最壞的情況下，這些能量可能導致導致終止等離子體的重大中斷。
使任務異常困難的事實是，可以對等離子體施加幾乎無限數量的磁性失真，從而導致精確地找到正確類型的失真是非常大的挑戰。但現在不會了。
美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的物理學家Jong-Kyu Park與來自美國和韓國的國家核聚變研究所（NFRI）合作，成功預測了整套有益的3D失真控制ELM而不會產生更多問題。研究人員在位于韓國大田市的韓國超導托卡馬克先進研究中心（KSTAR）的設備上驗證了這些預測。KSTAR是世界上最先進的超導托卡馬克裝置之一。
KSTAR是測試的理想選擇
KSTAR是測試預測的理想選擇，因為它采用先進的磁鐵控制技術，可以在等離子體的近乎完美的圓環形對稱性中產生精確的扭曲。如果沒有研究團隊開發的預測模型，識別最有利的扭曲（其數量不到KSTAR內可能產生的所有扭曲的1%）幾乎是不可能的。
其結果是開創先例的成就。“我們首次展示托卡馬克的全3D場操作窗口，以抑制ELM而不會引起核心不穩定或過度降低限制，”Park說。該論文由來自美國和韓國的14位合著者撰寫，發表在《自然物理學》雜志上。“長期以來，我們認為要識別出所有有利的對稱破缺場，在計算上太困難了，但我們現在的工作展示了一個簡單的程序來識別所有這些構型的集合。”
當研究人員意識到等離子體可以扭曲的方式實際上遠遠少于可以應用于等離子體的可能3D場的范圍時，他們降低了計算的復雜性。通過向后工作，從扭曲到3D場，作者計算了消除ELM的最有效領域。 KSTAR實驗以非常準確的方式證實了這些預測。
調查結果提供了新的信心
關于KSTAR的研究結果為ITER的最佳3D場預測能力提供了新的信心，ITER是法國正在建設的國際托卡馬克，該公司計劃使用特殊磁鐵產生3D畸變來控制ELMs。這種控制對ITER是至關重要的，ITER的目標是產生比加熱等離子多10倍的能量。本文作者說：“本研究采用的方法和原理可以極大地提高托卡馬克復雜三維優化過程的效率和保真度。”
韓國在這一項目上的工作是由NFRI在韓國大田贊助的。NFRI是韓國領先的聚變能源研究機構，致力于為聚變能源的實現奠定科學和工程基礎。NFRI在韓國科學和信息與通信技術產業部下運作KSTAR。KSTAR是世界上領先的超導托卡馬克之一，它的目標是利用高精度的磁力系統，以及3D磁場的生產、先進的成像技術和其他對這項工作的成功至關重要的能力，實現高性能的穩態運行。
