稳定等离子体的过程使核聚变应用更近一步学术资讯

核聚变以等离子体的形式融合原子核，进而释放出巨大的能量。科学家们试图将太阳和恒星的核聚变反应带到地球，以期为全球的城市和工业生产提供清洁的、几乎无限的能量。然而，捕获和控制聚变能一直是一个重大的挑战——科学家们必须保证超高温等离子体不被破坏。

scienceblog.com网站1月9日报道，美国能源部(DOE)普林斯顿等离子物理实验室(PPPL)的研究人员在《物理评论快报》杂志公布了一种方法，可以帮助控制极度危险的核聚变过程。PPPL的研究人员对“撕裂模式”进行了研究，它源于等离子体产生磁岛的不稳定性，是导致等离子体被破坏的关键因素。磁岛在等离子体中形成的气泡状结构，可以发展为破坏性事件，阻止聚变反应的进行，甚至破坏承载反应的“托卡马克”(tokamaks)装置。

研究人员在20世纪80年代发现，利用射频波(RFW)驱动等离子体中的电流，可以稳定撕裂模式，降低等离子被破坏的风险。然而，研究人员并没有注意到，等离子体温度的微小变化一旦超过功率沉积的关键阈值，反而可以起到稳定作用。PPPL的研究人员认为其中包含的物理机制如下：（1）温度扰动对电流驱动器的强度和磁岛存储的射频功率有影响；（2）扰动及其对功率反馈的影响以一种复杂的、非线性方式相互作用；（3）当反馈与电流驱动对温度扰动的灵敏度相结合时，稳定过程的效率提高；（4）得到改善的稳定性不太可能受到电流驱动器失调的影响。

这一过程的总体影响产生了“射频电流冷凝”效应，即射频功率集中在磁岛内，阻止其继续增长。PPPL理论物理学家、论文第一作者艾伦•雷曼(Allan Reiman)说：“功率沉积大大增加了。当磁岛的功率沉积超过阈值水平时，温度就会出现跳跃，进而显著增强稳定效果。”这一发现对国际热核聚变实验堆（ITER）是重大利好消息。雷曼说：“人们担心磁岛会变得越来越大，并对ITER产生干扰。新效应将使ITER等离子体更容易稳定下来。”

研究过程中，雷曼与纳特•菲什教授（Prof. Nat Fisch）等展开了合作。菲什教授曾在20世纪70年代发表的一篇具有里程碑意义的论文中提出，RFW可以用于驱动电流，并通过现称为“射频电流驱动”的过程来限制托卡马克等离子体。菲什指出，雷曼在1983年的开创性论文中提出的预测(射频电流也可以稳定撕裂模式)非常关键——使用射频电流驱动稳定撕裂模式可能比使用它们来限制等离子体更加重要。

雷曼等理论物理学家们近期的工作计划是，从简单模型出发，逐渐发展到复杂模型，以解决各种关键问题。他们计划用更复杂的模型绘制出更详细的图像，并建议开展揭示新效应的相关实验。

科界原创

编译：雷鑫宇

审稿：alone

责编：唐林芳

期刊来源：《物理评论快报》

期刊编号：0031-9007

原文链接：

https://scienceblog.com/505176/scientists-inch-closer-to-fusion-energy-with-discovery-of-a-process-that-stabilizes-plasmas/