Klasyczne równanie wskazuje jednak wyłącznie linię mety, milcząc na temat optymalnej trajektorii termodynamicznej prowadzącej do celu. Fizycy z Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL), podległego Departamentowi Energii USA, zrewidowali to kryterium, publikując w czasopiśmie Physical Review Letters nową mapę parametrów plazmy, która pozwala osiągnąć stan płonącej plazmy przy nakładzie energii znacznie niższym niż w dotychczasowych projektach reaktorów.
Główny autor pracy, Luis Delgado-Aparicio, wraz z Masayukim Ono i Jonathanem Menardem, porównuje dotychczasowe podejście do wspinaczki na najwyższy szczyt pasma górskiego wprost przez strome zbocza. Większość współczesnych projektów fuzyjnych zakłada bezpośredni atak na barierę zapłonu: najpierw maksymalne zagęszczenie paliwa, a dopiero potem intensywne dogrzewanie gęstej plazmy, co wiąże się z gigantycznym zapotrzebowaniem na moc urządzeń grzewczych.
Zespół z PPPL wykazał, że o wiele bardziej efektywną drogą jest ominięcie wierzchołka i przejście przez tzw. przełęcz Cordeya (Cordey saddle) – matematycznie najniższy punkt grzbietu energetycznego oddzielającego plazmę dogrzewaną z zewnątrz od stanu samopodtrzymującego się zapłonu.
Nowa strategia polega na odwróceniu kolejności operacji: plazmę należy najpierw doprowadzić do skrajnie wysokiej temperatury przy relatywnie niskiej gęstości, a dopiero po pokonaniu przełęczy gwałtownie zwiększyć stężenie cząstek paliwa. W idealnym, czystym gazie fuzyjnym punkt ten odpowiada współczynnikowi wzmocnienia mocy Q≈5, jednak w warunkach rzeczywistych jego położenie silnie zależy od zjawisk dyssypacyjnych.
Kluczową siłą opracowanego modelu jest jednoczesne uwzględnienie czterech zjawisk degradujących parametry plazmy, które dotychczas analizowano zazwyczaj w izolacji. Badacze włączyli do równań akumulację „popiołu helowego” (wypalonego paliwa rozrzedzającego reagent), obecność lekkich i ciężkich zanieczyszczeń wybijanych ze ścian komory próżniowej, straty wywołane promieniowaniem synchrotronowym poruszających się po zakrzywionych torach elektronów oraz ucieczkę ciepła rosnącą nieliniowo wraz ze wzrostem temperatury.
Włączenie tych czynników drastycznie zmienia wymagania inżynieryjne dla tokamaków i stellaratorów. Analiza wykazała między innymi, że wolfram – pierwiastek powszechnie wybierany na ściany nowoczesnych reaktorów ze względu na odporność na temperatury wyższe niż we wnętrzu Słońca – w stężeniu zaledwie jednej cząstki na 10 000 cząstek plazmy potrafi podwoić ciśnienie niezbędne do osiągnięcia zapłonu, a w modelach trójwymiarowych może całkowicie zdestabilizować układ.
Co ciekawe, te same mechanizmy strat radiacyjnych stanowią naturalny bufor bezpieczeństwa przeciwko niestabilności termicznej (zjawisku gwałtownego, niekontrolowanego wzrostu temperatury napędzanego fuzją), samoczynnie stabilizując płonącą plazmę w bezpiecznym punkcie równowagi. Ponieważ tokamak zawiera w danej chwili zapas paliwa wystarczający zaledwie na kilka sekund reakcji, ewentualne zaburzenie prowadzi wyłącznie do wygaszenia plazmy, wykluczając awarie typu jądrowego.
Jako metody ułatwiające osiągnięcie zapłonu autorzy wskazują zastosowanie ścian pokrytych ciekłym litem – badanym w PPPL rozwiązaniem blokującym przenikanie wolframu i redukującym straty ciepła – oraz paliwa spolaryzowanego spinowo, w którym magnetyczne uporządkowanie jąder atomowych drastycznie podnosi przekrój czynny na fuzję. Choć wyniki mają obecnie charakter analityczno-obliczeniowy, zespół planuje serię eksperymentów numerycznych, które posłużą jako baza projektowa dla przyszłych komercyjnych elektrowni pilotowych.
