将等离子体加热到聚变反应所需的超高温度需要的不仅仅是转动恒温器上的拨盘。科学家们考虑了多种方法，其中一种方法是将电磁波注入等离子体，这与微波炉加热食物的过程相同。但当他们产生一种加热波时，它们有时会同时产生另一种不会加热等离子体的波，这实际上浪费了能源。

为了解决这个问题，美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家进行了计算机模拟，证实了一种技术，可以防止产生有害波(称为慢模式)，从而增加等离子体的热量并提高聚变反应的效率。

“这是科学家首次使用二维计算机模拟来探索如何减少慢速模式，”PPPL 首席研究物理学家、《等离子体物理学》杂志上发表该研究结果的论文第一作者 Eun-Hwa Kim 说道。“该研究结果可能使等离子体加热更加高效，并可能为聚变能提供一条更加便捷的途径。”

该团队包括来自通用原子公司的研究人员，他们使用 DIII-D 托卡马克聚变设施，他们确定，将一个称为法拉第屏的金属格栅放置在与产生加热波(也称为螺旋波)的天线略微倾斜五度的位置，可以阻止慢模式的产生。研究人员希望避免产生慢模式，因为与螺旋波不同，它们无法穿透限制等离子体加热核心的磁场线，而大多数聚变反应都发生在核心处。此外，慢模式很容易被等离子体本身抑制或扼杀。因此，用于产生慢模式的任何能量都是不用于加热等离子体和促进聚变反应的能量。

研究人员使用 Petra-M 计算机代码模拟了螺旋波和慢模式的产生，Petra-M 是一个功能强大且用途广泛的程序，用于模拟聚变装置和空间等离子体中的电磁波。模拟复制了 DIII-D 托卡马克中的条件，DIII-D 托卡马克是通用原子公司为美国能源部运营的环形等离子体装置。研究小组进行了一系列虚拟实验，以测试以下哪项对慢模式的产生影响最大——天线的对准、法拉第屏的对准或天线前方被称为电子的小粒子的密度。模拟证实了之前研究人员的建议，即当法拉第屏与天线方向的角度为 5 度或更小的时候，法拉第屏实际上会使慢模式短路，使它们在传播到等离子体之前就消失了。

慢速模式的抑制很大程度上取决于法拉第屏向侧面倾斜的程度。“我们发现，当屏幕的方向仅超过五度一点点时，慢速模式就会大幅增加，”PPPL 首席研究物理学家、论文作者之一小野昌之 (Masayuki Ono) 表示。“我们对慢速模式的发展对屏幕对齐的敏感程度感到惊讶。”科学家可以利用这些信息来调整新聚变设施的设计，使其加热更强大、更高效。

未来，科学家计划通过运行计算机模拟来考虑更多等离子体的特性并考虑更多有关天线的信息，以加深对如何防止慢模式的理解。

这项研究得到了美国能源部科学办公室(聚变能源科学)的支持，合同编号为 DE-AC20-09CH11466 和 DE-FC02-04ER54698，以及美国能源部通过高级计算进行科学发现的计划，合同编号为 DE-SC0024369。模拟是使用国家能源研究科学计算中心进行的，该中心是劳伦斯伯克利国家实验室的一个美国能源部用户设施，合同编号为 DE-AC02-05CH11231，奖项编号为 FES-ERCAP0027700。