融合力量突破：消除环形托卡马克热破坏的新方法

物理学家拉菲·纳齐克安（Raffi Nazikian）和胡启明（Huqiming Hu）的研究结果来自p。

想象一下一架只能在起飞后爬升到一两个高度的飞机。这种局限性与试图避免不稳定的科学家所面临的困境相似，这些不稳定因素限制了甜甜圈状托卡马克设施中清洁，安全和丰富聚变能的产生。美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）和通用原子（GA）的研究人员现已发布了关于这种托卡马克限制以及如何克服这一限制的突破性解释。

环形或甜甜圈状的托卡马克容易产生强烈的热量和颗粒，称为边缘局限模（ELM）。这些ELM可能会损坏反应堆壁，必须对其进行控制以开发可靠的聚变能。幸运的是，科学家们学会了通过对等离子体表面施加螺旋形波纹磁场来促进融合反应，从而驯服这些ELM。但是，驯服ELM需要非常特殊的条件，这限制了托卡马克反应堆的操作灵活性。

在聚变反应堆中，将氢加热到变成云状电离等离子体。

现在，PPPL和GA的研究人员开发了一种模型，该模型首次准确地再现了GA为DOE运营的DIII-D国家融合设施中的ELM抑制条件。该模型预测了在托卡马克中，ELM抑制应在比先前认为的可能更大的运行条件范围内扩展的条件。这项工作为如何优化ITER的ELM抑制效果提供了重要的预测，ITER是法国南部正在建设的大规模国际聚变装置，旨在证明聚变力量的可行性。

聚变是驱动太阳和恒星的力量，它以等离子体的形式结合光元素-由自由电子和原子核组成的热的，带电的物质状态，构成了可见宇宙的99％-产生大量的能量。托卡马克是科学家最广泛使用的设备，他们试图将聚变复制为可再生的，无碳的，几乎无限的能源来发电。

PPPL物理学家胡启明和纳菲基（Raffi Nazikian）是《物理评论快报》（Physical Review Letters）中描述该模型的论文的主要作者。他们指出，在正常情况下，波纹磁场只能抑制ELM，因为ELM的等离子体电流值非常精确，从而产生限制等离子体的磁场。这产生了一个问题，因为托卡马克反应堆必须在很宽的等离子电流范围内运行，以探索和优化产生聚变能所需的条件。

修改磁波纹

这组作者展示了如何通过修改施加在等离子体上的螺旋磁波纹的结构，在更宽的等离子体电流范围内消除ELM，同时改善熔合功率的产生。胡锦涛说，他相信这些发现可以为国际热核实验堆提供广泛的操作灵活性，这将证明聚变能的实用性。他说：“该模型可能对抑制ITER中的ELM具有重要意义。”

确实，“我们所做的是准确预测何时可以在更宽的等离子体电流范围内实现ELM抑制，”负责PPPL托卡马克研究的纳兹基安说。“通过试图理解我们在DIII-D上看到的一些奇怪的结果，我们找出了控制这些ELM抑制范围的关键物理原理，这些条件可以通过使用这些螺旋波纹磁场来实现。然后，我们回头提出了一种方法，该方法可以在DIII-D和ITER中更常规地产生更宽的ELM抑制操作窗口。”

增强的托卡马克操作

这些发现为加强托卡马克的运作打开了大门。“ GA的科学家，论文的共同作者” Carlos Paz-Soldan说：“这项工作描述了通过修改波纹的结构来扩展控制托卡马克边缘不稳定性的操作空间的途径。”“我们期待使用升级的励磁线圈测试这些预测，这些线圈计划在几年内用于DIII-D。”

回到飞机的类比，“如果您只能在一个或两个不同的高度飞行，旅行将会非常有限，”该论文的共同作者PPPL物理学家Brian Grierson说。“取消限制将使飞机能够在广泛的高度上飞行，以优化其飞行路线并完成其任务。”以同样的方式，本论文提出了一种方法，该方法有望扩大聚变反应堆在没有ELM的情况下运行的能力，而ELM可能会损坏设施并阻碍聚变能托卡马克的发展。

参考：Q.M.“通过DIII-D托卡马克中的共振磁扰动抑制边缘局部模式的宽工作窗口”，作者：Q.M。 Hu R.Nazikian，B.A.北卡罗来纳州洛根市格里森Orlov，C.Paz-Soldan和Q.Yu，2020年7月23日，《物理评论快报》。
10.1103 / PhysRevLett.125.045001

美国能源部科学办公室为这项研究提供了支持。合作者包括加利福尼亚大学圣地亚哥分校和马克斯·普朗克等离子体物理研究所的研究人员。数据分析的一部分使用了由GA科学家开发的OMFIT集成建模框架进行。