O gás ionizado quente chamado plasma é confinado em um tokamak em forma de bagel por um forte campo magnético, parte do qual é gerado por uma forte corrente elétrica fluindo através do plasma. Periodicamente, ocorre uma instabilidade de dente de serra. Isso faz com que a temperatura central do plasma caia abruptamente e depois se recupere em um padrão dente de serra. A instabilidade limita a quantidade de corrente que pode ser concentrada no centro do plasma. Contudo, existem tipos de plasmas tokamak para os quais um mecanismo previamente desconhecido, chamado de bombeamento de fluxo magnético, limita a corrente no centro do plasma para que fique logo abaixo do limiar dente de serra. Os cientistas ficaram intrigados com a forma como esse mecanismo de autorregulação funciona. Os resultados de simulações numéricas altamente complexas agora sugerem uma resposta possível.

A instabilidade dente de serra pode desencadear outros problemas que levam à deterioração ou mesmo à perda do confinamento do plasma. Assim, cenários híbridos nos quais o bombeamento de fluxo magnético evita a instabilidade em dente de serra são de interesse. Isso é especialmente verdadeiro para futuros experimentos de fusão em grande escala, como ITER. Para extrapolar a acessibilidade e propriedades de cenários híbridos para ITER, é essencial entender a física por trás do bombeamento de fluxo magnético. Com a ajuda de simulações elaboradas, os cientistas agora são capazes de encontrar uma explicação possível para esse fenômeno.

O mecanismo por trás do bombeamento de fluxo magnético nas simulações numéricas funciona da seguinte forma:se o perfil de corrente central for plano e se a pressão de plasma central for suficientemente alta, um modo de quase-intercâmbio se desenvolve no núcleo do plasma. O modo de quase intercâmbio gera um fluxo helicoidal de plasma em grande escala que - quase como um misturador - constantemente agita o plasma central. Ao mesmo tempo, o campo magnético no núcleo do plasma é deformado.

É aqui que entra o efeito dínamo. O efeito dínamo desempenha um papel importante para muitos fenômenos astrofísicos, bem como para o mecanismo que mantém o campo magnético da Terra. Ele descreve como um movimento particularmente ondulado de um fluido eletricamente condutor pode reforçar um campo magnético existente. No caso do campo magnético da Terra, o fluido é a parte líquida do núcleo de ferro da Terra. No caso do cenário de tokamak híbrido, o fluido é o plasma quente no centro do tokamak. No último caso, é através de um efeito dínamo que o fluxo de plasma helicoidal e a deformação helicoidal do campo magnético se combinam para dar uma voltagem negativa que mantém a corrente central plana. Ao manter a corrente no centro do plasma plana, a instabilidade dente de serra é evitada.

As simulações numéricas também explicam como esse bombeamento de fluxo magnético se auto-regula:O modo de quase-intercâmbio é conhecido por funcionar melhor se a corrente central estiver em um certo limite - que coincide com o limite para a instabilidade dente de serra. Sempre que o mecanismo de bombeamento de fluxo se torna muito forte, enfraquece o modo de quase-intercâmbio e, portanto, seu próprio impulso. É assim que a força do bombeamento de fluxo é limitada, de modo que mantém a corrente central logo abaixo do limite para a instabilidade dente de serra.