融合力量突破：消除環形託卡馬克中破壞性熱爆的新方法

物理學家拉菲·納齊克安（Raffi Nazikian）和胡啟明（Huqiming Hu）均來自其背後的研究。圖片來源：Elle Starkman / PPPL通信辦公室

想像一架飛機起飛後只能爬到一兩個高度。這種局限性與試圖避免不穩定的科學家所面臨的困境相似，這些不穩定因素限制了甜甜圈狀託卡馬克設備中清潔，安全和豐富聚變能的產生。美國能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）和通用原子（GA）的研究人員現已發表了關於這種託卡馬克限制以及如何克服的突破性解釋。

環形或甜甜圈狀的託卡馬克容易產生強烈的熱量和顆粒，稱為邊緣局限模（ELM）。這些ELM可能損壞反應堆壁，必須對其進行控制以開發可靠的聚變能。幸運的是，科學家們學會了通過對等離子體表面施加螺旋形波紋磁場來促進融合反應，從而馴服這些ELM 。但是，馴服ELM需要非常特殊的條件，從而限制了託卡馬克反應堆的運行靈活性。

在聚變反應堆中，將氫加熱到變成雲狀電離等離子體。

ELM抑制

現在，PPPL和GA的研究人員開發了一種模型，該模型首次準確再現了GA為DOE運營的DIII-D國家融合設施中的ELM抑制條件。該模型預測了在託卡馬克中，ELM抑制應在比先前認為的可能更大的運行條件範圍內擴展的條件。這項工作為如何優化ITER的ELM抑制效果提供了重要的預測，ITER是法國南部正在建設的大規模國際聚變裝置，旨在證明聚變力量的可行性。

聚變是驅動太陽和恆星的力量，它以等離子體的形式結合光元素（由自由電子和原子核組成的熱的帶電狀態，構成可見宇宙的99％），產生大量的能量。 。託卡馬克是科學家最廣泛使用的設備，他們試圖將聚變複製為可再生的，無碳的，幾乎無限的能源來發電。

PPPL的物理學家胡啟明和納菲基（Raffi Nazikian）是描述《物理評論快報》中該模型的論文的主要作者。他們注意到，在正常情況下，波紋磁場只能抑制ELM，因為等離子體電流的精確值非常高，從而產生了限制等離子體的磁場。這產生了一個問題，因為託卡馬克反應堆必須在很寬的等離子體電流範圍內運行，以探索和優化產生聚變能所需的條件。

修改磁波紋

這組作者展示了如何通過修改施加在等離子體上的螺旋形磁波紋的結構，在更寬的等離子體電流範圍內消除ELM，同時提高熔合功率的產生。胡錦濤表示，他相信這些發現可以為國際熱核實驗堆提供廣泛的操作靈活性，這將證明聚變能的實用性。他說：「該模型可能對抑制ITER中的ELM具有重要意義。」

確實，「我們所做的是準確預測何時可以在更寬的等離子體電流範圍內實現ELM抑制，」負責PPPL託卡馬克研究的納茲基安說。「通過嘗試理解我們在DIII-D上看到的一些奇怪結果，我們找出了控制這些ELM抑制範圍的關鍵物理原理，這些抑制條件可以使用這些螺旋紋波磁場實現。然後，我們回頭想出了一種方法，該方法可以在DIII-D和ITER中更常規地產生更寬的ELM抑制操作窗口。」

增強的託卡馬克操作

這些發現為加強託卡馬克的運作打開了大門。「通過修改波紋的結構，這項工作描述了一條擴展工作空間以控制託卡馬克邊沿不穩定性的途徑，」遺傳學科學家，論文的共同作者卡洛斯·帕茲-索丹（Carlos Paz-Soldan）說。「我們期待在幾年後使用升級的DIII-D勵磁線圈測試這些預測。」

回到飛機的類比，「如果您只能在一個或兩個不同的高度飛行，旅行將非常有限，」該論文的共同作者PPPL物理學家Brian Grierson說。「取消限制將使飛機能夠在廣泛的高度上飛行，以優化其飛行路線並完成其任務。」 以同樣的方式，本論文提出了一種方法，該方法可望擴大聚變反應堆的運行能力，使其不受ELM的影響，而ELM會損壞設施並阻礙聚變能託卡馬克的發展。