科学家们进行了一系列计算机模拟，验证了一种消除不必要的电磁波生成的方法，从而增强了聚变等离子体的加热。
将等离子体加热到聚变反应所需的极高温度不仅仅是简单地调节温控器。研究人员评估了各种技术，其中一种技术是向等离子体中注入电磁波，类似于微波炉加热食物的方式。然而，产生一种加热波有时会导致同时生成另一种不利于加热等离子体的波，从而造成能量浪费。
为了解决这个问题，美国能源部（DOE）的普林斯顿等离子物理实验室（PPPL）的科学家们进行了计算机模拟，证实了一种抑制这些非有益波（称为慢模式）的产生的技术。此项进展增强了等离子体的加热，提高了聚变反应的效率。
PPPL的首席研究物理学家、该研究的主要作者金恩华表示：“这是首次利用二维计算机模拟研究减少慢模式产生的方法。这些发现可能为更高效的等离子体加热铺平道路，并有可能使聚变能量的追求更具可行性。”
研究团队包括来自通用原子公司（General Atomics）与DIII-D托卡马克聚变设施合作的成员，发现通过将称为法拉第屏（Faraday screen）的金属网在加热波（称为螺旋波）产生天线的轻微五度角度放置，可以阻止慢模式的产生。消除慢模式至关重要，因为与螺旋波不同，它们无法穿透包含等离子体的磁场线，阻止热量到达大多数聚变反应发生的核心。此外，慢模式容易被等离子体本身熄灭。因此，产生慢模式所消耗的任何能量都转化为损失的能量，这本可以用于加热等离子体并促进聚变反应。
研究人员利用Petra-M计算机代码，这是一种用于模拟聚变装置和空间等离子体中电磁波的复杂程序，模拟了螺旋波和慢模式的形成。模拟反映了DIII-D托卡马克中的条件，该设备是由通用原子公司为DOE运行的一个甜甜圈形状的等离子体装置。团队进行了一系列虚拟测试，以确定哪些因素——天线对齐、法拉第屏对齐或靠近天线的小粒子（称为电子）的密度——对慢模式的形成影响最大。模拟确认了早期的研究结果，表明将法拉第屏放置于天线方向的五度或更小角度可以有效短路慢模式，从而使其无法扩散到等离子体中。
慢模式的抑制对法拉第屏的角度非常敏感。“我们发现，如果屏幕的方向超过五度，哪怕是很小的幅度，慢模式就会显著增加，”PPPL首席研究物理学家、论文的共同作者小野政幸解释说。“我们对与慢模式发展相关的屏幕对齐的敏感程度感到惊讶。”这一见解可能使科学家能够改进新聚变设施的设计，以实现更强大和有效的加热。
展望未来，科学家们计划通过进行计算机模拟，结合额外的等离子体特性和更全面的天线数据，进一步拓展对慢模式预防的知识。
这项研究得到了DOE科学办公室（聚变能源科学）在合同DE-AC20-09CH11466和DE-FC02-04ER54698下的资助，以及来自DOE通过先进计算的科学发现计划的资助，合同号为DE-SC0024369。模拟是在国立能源研究科学计算中心进行的，这是DOE在劳伦斯伯克利国家实验室的一个用户设施，合同号为DE-AC02-05CH11231和资助号FES-ERCAP0027700。
