多年來，科學家一直在努力解釋託卡馬克內部的奇怪模式。一種甜甜圈形狀的機器，設計用於有一天透過融合原子來發電。這些設備內部的過熱等離子體由磁場保持在一起。最終，一些顆粒從核心逸出並進入稱為分流器的排氣系統。
當顆粒到達轉向器時，它們撞擊金屬板、冷卻並反彈回來。 （返回的原子有助於促進聚變反應。）然而，實驗總是揭示意想不到的不對稱性。粒子撞擊內部轉向器目標的頻率比撞擊外部目標的頻率高出許多。
這種不均勻的分佈不僅僅是一種好奇。它對未來的聚變反應器產生重大影響。工程師必須確切知道顆粒將落到哪裡，才能設計出能夠承受極端高溫和壓力的分流器。到目前為止，主要的解釋都集中在磁場變化上。這解釋瞭如何反轉在變換器內穿過磁場線橫向移動的粒子。但僅包含此效應的模擬未能複製實驗結果。這引發了人們對該模型是否能夠可靠地指導反應器設計的懷疑。
等離子體旋轉似乎是一個缺失的因素。
新的研究揭示了這個難題的一個重要部分。科學家發現，環形自旋，即等離子體旋轉時的運動，圍繞著託卡馬克旋轉。它對顆粒最終進入排氣系統的位置有很大影響。
研究人員模擬了粒子在各種條件下的行為。使用 SOLPS-ITER 模型程式碼，他們的結果發表在 實體審查信結果表明，當等離子體旋轉與交叉場漂移相結合時，模擬僅與現實世界的測量結果相符。模擬和實驗之間的協調對於設計能夠在實驗室外可靠工作的整合系統至關重要。
美國能源部 (DOE) 普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 的物理學助理研究員、該研究的主要作者 Eric Emdee 表示：「等離子體中有兩種成分在流動，」「存在著穿過場的流動。粒子在磁場線中側向漂浮，還有它們沿著磁力線移動的平行流很多人說。 」
模擬終於符合現實。
為了測試他們的想法，該團隊在加州的 DIII-D 託卡馬克裝置中對等離子體的行為進行了建模。他們使用了四種不同的情況。它可以打開和關閉跨場滾動和等離子體旋轉。結果很明顯。直到增加了一個重要元素：測得的核心旋轉速度為每秒 88.4 公里，模擬才與實驗數據相符。
當兩種效應結合起來時，模型密切模擬了真實實驗中觀察到的不均勻顆粒分佈。側向運動和旋轉的綜合影響比任何一個因素本身的影響都要強得多。
針對現實條件的融合系統設計
這些發現強調了旋轉等離子體核心與系統邊緣粒子行為之間的重要連結。準確捕捉這種關係對於預測廢氣顆粒在未來反應器中的移動方式至關重要。
更好的預測意味著更好的工程。透過更清楚地了解熱量和顆粒聚集的位置，設計人員可以創建更靈活、更適合實際操作條件的分流器。
除Emdee外，研究團隊還包括來自PPPL的Laszlo Horvath、Alessandro Bortolon、George Wilkie和Shaun Haskey； Raúl Gerrú Migueláñez，來自麻省理工學院；和來自北卡羅來納州立大學的弗洛里安·拉格納。
這項工作得到了美國能源部聚變能源科學辦公室使用 DIII-D 國家聚變設施（美國能源部科學用戶設施辦公室）的支持，並獲得 DE-AC02-09CH11466、DE-FC02-04ER54698、DE-SC0024523、DE-SC0014264 和 DE130 獎項。
