多年来，科学家一直试图解释托卡马克装置内部的奇特现象。托卡马克呈甜甜圈形状，旨在通过原子聚变产生电力，其内部超高温等离子体被磁场束缚，部分粒子会逃逸并向偏滤器排气系统运动，撞击金属板冷却后反弹，但实验显示撞击内偏滤器靶板的粒子数量远多于外偏滤器靶板。
这种不均匀分布对未来聚变反应堆影响重大，工程师需精确了解粒子落点以设计能承受极端条件的偏滤器。此前主流解释聚焦于横向漂移，但仅考虑此效应的模拟未能重现实验结果，让人质疑模型能否可靠指导反应堆设计。
最新研究揭示了关键一环。科学家发现，等离子体绕托卡马克装置旋转时的环形运动，对粒子在排气系统中的位置有显著影响。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)副研究物理学家埃里克·埃姆迪(Eric Emdee)等研究人员利用SOLPS - ITER建模代码模拟粒子行为，研究结果发表于《物理评论快报》，表明只有同时考虑横向磁场漂移与等离子体旋转，模拟结果才与实际测量相符，这对设计能在实验室外可靠运行的聚变系统至关重要。
埃姆迪称，等离子体流动包含横向和纵向两种成分，此前很多人认为横向流动造成不对称性，但此次研究表明由旋转核心驱动的纵向流动同样重要。
为验证想法，研究团队模拟了加州DIII - D托卡马克装置中的等离子体行为，运行了开启和关闭横向磁场漂移与等离子体旋转的四种不同场景。结果显示，在加入测得的88.4公里/秒的芯部旋转速度这一关键因素前，所有模拟结果都与实验数据不符，考虑两种效应后，模型能很好重现粒子分布不均现象，且二者综合影响远强于单独作用。
研究凸显了旋转等离子体核心与系统边缘粒子行为的重要联系，准确把握这种关系对预测未来反应堆中尾气粒子运动方式至关重要。更准确的预测意味着更出色的工程设计，设计人员可据此制造出更具韧性、更适合实际运行条件的偏滤器。
除埃姆迪外，研究团队还包括PPPL的Laszlo Horvath、Alessandro Bortolon、George Wilkie和Shaun Haskey，麻省理工学院的Raúl Gerrú Migueláñez，以及北卡罗来纳州立大学的Florian Laggner。该工作获美国能源部聚变能源科学办公室支持，使用了美国能源部科学办公室用户设施DIII - D国家聚变设施，资助项目编号为DE - AC02 - 09CH11466、DE - FC02 - 04ER54698、DE - SC0024523、DE - SC0014264和DE - SC0019130 。
