Il gas ionizzato caldo chiamato plasma è confinato in un tokamak a forma di bagel da un forte campo magnetico, parte della quale è generata da una forte corrente elettrica che scorre attraverso il plasma. Periodicamente, si verifica un'instabilità a dente di sega. Fa sì che la temperatura centrale del plasma diminuisca bruscamente e poi si riprenda in uno schema a dente di sega. L'instabilità limita quanta corrente può essere concentrata al centro del plasma. Però, ci sono tipi di plasmi tokamak per i quali un meccanismo precedentemente sconosciuto, chiamato pompaggio del flusso magnetico, limita la corrente nel centro del plasma in modo che rimanga appena al di sotto della soglia del dente di sega. Gli scienziati sono rimasti perplessi da come funziona questo meccanismo di autoregolazione. I risultati di simulazioni numeriche altamente complesse suggeriscono ora una possibile risposta.

L'instabilità a dente di sega può innescare altri problemi che portano al deterioramento o addirittura alla perdita del confinamento del plasma. Così, sono interessanti gli scenari ibridi in cui il pompaggio del flusso magnetico previene l'instabilità a dente di sega. Ciò è particolarmente vero per i futuri esperimenti di fusione su larga scala, come ITER. Per estrapolare l'accessibilità e le proprietà degli scenari ibridi a ITER, è essenziale comprendere la fisica dietro il pompaggio del flusso magnetico. Con l'aiuto di simulazioni elaborate, gli scienziati sono ora in grado di trovare una possibile spiegazione per questo fenomeno.

Il meccanismo alla base del pompaggio del flusso magnetico nelle simulazioni numeriche funziona come segue:se il profilo della corrente centrale è piatto e se la pressione del plasma centrale è sufficientemente alta, una modalità di quasi-interscambio si sviluppa nel nucleo del plasma. La modalità quasi-interscambio genera un flusso elicoidale di plasma su larga scala che, quasi come un miscelatore, agita costantemente il plasma centrale. Allo stesso tempo, il campo magnetico nel nucleo del plasma viene deformato.

È qui che entra in gioco un effetto dinamo. L'effetto dinamo gioca un ruolo importante per molti fenomeni astrofisici e per il meccanismo che mantiene il campo magnetico terrestre. Descrive come un movimento particolarmente vorticoso di un fluido conduttore di elettricità può rafforzare un campo magnetico esistente. Nel caso del campo magnetico terrestre, il fluido è la parte liquida del nucleo di ferro della Terra. Nel caso dello scenario tokamak ibrido, il fluido è il plasma caldo al centro del tokamak. Nel secondo caso, è attraverso un effetto dinamo che il flusso elicoidale del plasma e la deformazione elicoidale del campo magnetico si combinano per dare una tensione negativa che mantiene piatta la corrente centrale. Mantenendo piatta la corrente nel centro del plasma, l'instabilità a dente di sega è prevenuta.

Le simulazioni numeriche spiegano anche come si regola questo flusso magnetico di pompaggio:è noto che la modalità di quasi-interscambio funziona meglio se la corrente centrale è a una certa soglia, che coincide con la soglia per l'instabilità a dente di sega. Ogni volta che il meccanismo di pompaggio del flusso diventa troppo forte, indebolisce la modalità di quasi-interscambio e quindi la propria spinta. In questo modo viene limitata la forza del flusso di pompaggio in modo che mantenga la corrente centrale appena al di sotto della soglia per l'instabilità a dente di sega.