設計可預測的核聚變反應堆需要極為準確的計算機模型，但現有的模擬往往忽視了一個混亂的變量：自發磁場。普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員進行的一項研究解決了這些磁場在擴展等離子體中如何形成的爭論，並為工程師提供了一種新的數學工具，以改進未來反應堆的設計。研究人員表示：「這改善了我們對宇宙中自然發生的等離子體的理解，並推進了基於直接驅動慣性聚變方法的聚變系統的發展。」
該研究集中於直接驅動的慣性約束聚變，這是一種強大而均勻的激光壓縮燃料膠囊以點燃反應的方法。當這些激光擊中目標時，它們會立即將固體材料氣化成超熱的快速擴展等離子體。過去的實驗室測試經常檢測到強烈的磁結構從這種擴展中出現，但科學家無法確定其來源。由於這些未記錄的磁場改變了熱量在等離子體中的傳遞方式，因此可能導致聚變系統表現得不可預測。
確定激光強度閾值的重要性
通過模擬激光擊中鋁目標的過程，普林斯頓等離子體物理實驗室的研究人員確定了影響該行為的明確激光強度閾值。新聞稿補充道：「低於該強度閾值時，等離子體基本上保持無磁化狀態。」然而，一旦激光強度超過這一特定界限，等離子體在十億分之一秒內自我磁化。這種快速變化創造出 40Tesla 的磁場，其強度大約是地球磁場的 100 萬倍。根據主作者基裏爾·列茲寧的説法，這項研究的獨特收穫是均勻的激光驅動無法阻止這些磁場的產生；等離子體的擴展行為本身就足以生成它們。
自我磁化是由熱力學的拉鋸戰驅動的。隨著等離子體擴展，它沿著其方向路徑迅速冷卻，但在垂直於其擴展的軸上卻保持較高的温度。這種温度差異引發了一種被稱為維貝爾不穩定性的現象，從而產生磁場。與此同時，內部粒子碰撞試圖將等離子體強迫回到平衡的温度狀態。當激光強度足夠時，温度不平衡佔上風，使維貝爾不穩定性得以佔主導地位。
對熱流和當前聚變實驗的影響
研究團隊解釋道：「一旦磁場出現，它們會根本改變等離子體的演變：這些場將電子困在旋轉的軌道中。」這種約束阻止熱量從激光擊中目標的區域逸出。團隊指出：「模擬顯示，磁效應的影響足以影響等離子體的整體行為和温度。」為了使這些見解立即可行，普林斯頓等離子體物理實驗室團隊開發了一個基本公式，以預測根據特定激光和目標變量的等離子體磁化程度。列茲寧指出，該閾值驚人地低，恰好落在標準慣性聚變實驗的操作強度範圍內。
這一重疊意味著新映射的磁效應正在積極影響當前的聚變研究。
列茲寧總結道：「這一閾值恰好位於常見慣性聚變實驗的典型強度範圍內，這使得這些磁場效應對該研究非常相關。」
