科學(xué)家們已經(jīng)找到了一種新方法來(lái)防止等離子體中令人討厭的磁泡（磁島）干擾核聚變反應(yīng)，這為提高核聚變能源設(shè)備的性能提供了一種潛在方法。它來(lái)自于管理射頻(RF)波以穩(wěn)定磁泡，這可能會(huì)擴(kuò)大并造成干擾，

從而限制ITER的性能，ITER是正在法國(guó)建設(shè)的國(guó)際設(shè)施，以證明聚變電力的可行性。美國(guó)能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的科學(xué)家，已經(jīng)開發(fā)出控制這些磁泡（磁島）的新模型。

這種新方法修改了將射頻射線穩(wěn)定地沉積到等離子體中以穩(wěn)定磁泡的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)，當(dāng)磁泡寬度與射頻射線沉積其能量的區(qū)域的特征大小相比小時(shí)，這一技術(shù)被證明是無(wú)效的。這個(gè)區(qū)域表示“阻尼長(zhǎng)度”，在沒(méi)有任何非線性反饋的情況下，射頻功率通常存放在該區(qū)域上。當(dāng)區(qū)域的大小大于磁泡寬度時(shí)，這種情況被稱為“低阻尼”，射頻功率的有效性可能會(huì)大大降低，因?yàn)榇罅康哪芰繒?huì)從磁泡泄漏出來(lái)。

托卡馬克，即可能遇到此類問(wèn)題的甜甜圈形狀核聚變?cè)O(shè)施，是世界各地科學(xué)家使用最廣泛的設(shè)備，他們尋求產(chǎn)生和控制核聚變反應(yīng)，以提供幾乎取之不盡的安全和清潔電力供應(yīng)來(lái)發(fā)電。這樣的反應(yīng)結(jié)合了等離子體形式的輕元素，由自由電子和原子核組成的物質(zhì)狀態(tài)，構(gòu)成了可見(jiàn)宇宙的99%，產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)和恒星的大量能量。普林斯頓等離子體物理項(xiàng)目的研究生金素英(音譯)說(shuō)：

磁泡與阻尼

新模型預(yù)測(cè)，將射線沉積在脈沖而不是穩(wěn)態(tài)流中可以克服泄漏問(wèn)題。在平均功率相同的情況下，脈沖也可以在高阻尼情況下實(shí)現(xiàn)更大的穩(wěn)定性。要使這個(gè)過(guò)程起作用，脈沖的速度必須既不太快也不太慢，這個(gè)甜蜜點(diǎn)應(yīng)該與磁泡通過(guò)擴(kuò)散散熱的速度一致。新模型借鑒了合著者和顧問(wèn)艾倫·雷曼(Allan Reiman)、納特·菲什(Nat Fisch)教授過(guò)去的研究。

其研究為研究射頻功率沉積穩(wěn)定磁島（磁泡）提供了非線性框架。在很大程度上擴(kuò)展了可以用來(lái)解決現(xiàn)在被認(rèn)為是使用托卡馬克方法，進(jìn)行經(jīng)濟(jì)核聚變所面臨關(guān)鍵問(wèn)題的工具。托卡馬克受到這些自然形成的不穩(wěn)定磁泡困擾，這些磁泡會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性的突然等離子損失。研究不僅提出了新的控制方法，對(duì)這些新預(yù)測(cè)影響的識(shí)別可能會(huì)迫使科學(xué)家重新評(píng)估過(guò)去的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果中，這些影響可能起到了沒(méi)有被認(rèn)識(shí)到的作用。

現(xiàn)在正著手于具體的實(shí)驗(yàn)，這些實(shí)驗(yàn)可以檢驗(yàn)起作用的機(jī)制，并準(zhǔn)確地指出如何最好地控制這些災(zāi)難性的不穩(wěn)定因素。最初的射頻沉積模型表明，它會(huì)提高溫度，并在磁泡中心驅(qū)動(dòng)電流，以阻止磁泡的生長(zhǎng)。然后，非線性反饋在電力沉積和磁泡溫度變化之間發(fā)揮作用，這使得穩(wěn)定性得到了極大的改善?？刂七@些溫度變化的是磁泡邊緣等離子體中的熱量擴(kuò)散。

原始模型

然而，在阻尼長(zhǎng)度小于磁泡大小的高阻尼區(qū)域，這種同樣的非線性效應(yīng)會(huì)在穩(wěn)態(tài)沉積過(guò)程中產(chǎn)生一個(gè)稱為“陰影”的問(wèn)題，導(dǎo)致射頻射線在到達(dá)磁泡中心之前耗盡能量。首先研究了脈沖射頻方案來(lái)解決陰影問(wèn)題，然而，事實(shí)證明，在高阻尼的情況下，非線性反饋實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致脈沖加劇陰影，射線耗盡的時(shí)間甚至更早。所以研究人員反轉(zhuǎn)了這個(gè)問(wèn)題，發(fā)現(xiàn)非線性效應(yīng)可以導(dǎo)致脈沖，從而減少低阻尼情況下從磁泡泄漏出來(lái)的能量。

這些預(yù)測(cè)的趨勢(shì)自然適合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，這樣的實(shí)驗(yàn)旨在表明脈沖會(huì)增加磁泡的溫度，直到達(dá)到最佳的等離子體穩(wěn)定。

博科園｜研究/來(lái)自：普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《等離子體物理》

DOI: 10.1063/5.0007861

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