幾十年來，科學家們一直在努力利用清潔、可再生的核聚變能源，這種能源在像我們太陽這樣的恆星中自然發生。 利用強磁場將熱等離子體限制在一個被稱為托卡馬克的甜甜圈形狀的裝置中，研究人員可以產生誘發核聚變反應的必要條件。 然而，大量的熱量和粒子最終需要從托卡馬克的邊緣排出（如圖），而排出區域的條件會影響等離子體限制的有效性。

由於存在被稱為”blobs”的湍流結構，預測該區域的等離子體運動很困難。 這些是壓力較高的局部區域，可以將熱量和粒子穿過磁場線轉移到材料壁上。

最近使用計算等離子體框架Gkeyll的工作揭示了一個重要的見解–包括無電荷中性粒子對等離子體行為有關鍵影響。 新的類比將陀螺運動學和動力學模型結合起來，以更好地預測等離子體湍流。

泰斯·伯納德博士說：”理解和控制這個區域的等離子體湍流和傳輸是非常重要的，因為它影響到壁材料的壽命，”他與來自通用原子公司和普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的科學家合作，領導了這項研究。 “這一挑戰由於該區域的中性原子與等離子體粒子相互作用而變得更加複雜，而且中性原子對等離子體圓球行為的影響還沒有得到很好的理解。”

有無中子存在的結果在重要的等離子體參數–密度、溫度和流動水準方面有明顯的差異。 這一點在圖中可以清楚地看到，圖中顯示了在PPPL的國家球面環形實驗（NSTX）的壁附近的等離子體類比的比較，其中包含和不包含中性粒子。 中性粒子的加入導致了等離子體波動的減少和小球運動的減慢。

這一結果需要在現有的類比等離子體的方法之間進行首次耦合。 歷史上，一系列基於理論模型的類比工具被用來理解托卡馬克的實驗觀測，並對當前和未來的等離子體設備進行預測。 例如，跟蹤粒子位置和速度的動力學模型更準確，但也更需要計算。 追蹤密度、流量和溫度等體積屬性的流體模型通常要求較低，但所做的假設並非對所有托卡馬克情景有效。

為了做到自洽，代碼應包含等離子體和中性動力學模型。 然而，由於計算要求過高，每個模型的綜合動力學模型很難結合在一起。 預見到這一挑戰，Gkeyll的開發採用了高效的演算法，促進了最近將等離子體動力學的陀螺動力學模型與中性原子的動力學模型的耦合。 陀螺動力學模型依靠的是帶電粒子圍繞磁場線快速運行的事實。 這個模型對這種快速運動進行了平均化處理，將粒子建模為帶電環，減少了問題的複雜性。

正在進行的工作是用實驗數據來驗證這個模型，它將是一個有用的工具，可以作為其他代碼的標杆。 這項工作很重要，既可以為未來的工作提供資訊，以盡量減少破壞性的湍流對聚變電站的影響，又可以作為使用強大等離子體代碼的一個例子。