聚变电突破：消除破坏性热爆发的新方法

想象一下，一架飞机在起飞后只能爬升到一两个高度。这一限制将类似于科学家面临的困境，他们试图避免不稳定因素，这些不稳定因素限制了在甜甜圈形状的托卡马克设施中获得清洁、安全和丰富的聚变能源的途径。美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和通用原子公司(GA)的研究人员现在发表了一项突破性的解释，解释了这一托卡马克限制以及如何克服它。

环形或甜甜圈形状的托卡马克容易产生强烈的热量和粒子爆发，称为边缘局域模式(ELM)。这些ELM会损坏反应堆壁，必须加以控制才能发展可靠的聚变动力。幸运的是，科学家们已经学会了通过在推动聚变反应的等离子体表面施加螺旋状波纹磁场来驯服这些榆树。然而，驯服榆树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。

现在，PPPL和GA的研究人员已经开发出一种模型，首次准确地再现了GA为能源部运营的DIII-D国家聚变设施中抑制ELM的条件。该模型预测了ELM抑制应该扩展到托卡马克中比之前认为可能的更广泛的操作条件的条件。这项工作为如何优化ITER中ELM抑制的有效性提供了重要的预测。ITER是正在法国南部建设的大规模国际聚变装置，以证明聚变动力的可行性。

聚变是驱动太阳和恒星的动力，它将轻元素以等离子体的形式结合在一起，等离子体是由自由电子和原子核组成的物质的热、带电状态，占可见宇宙的99%，以产生大量的能量。托卡马克是科学家们最广泛使用的设备，科学家们试图将聚变复制为一种可再生的、无碳的、几乎无限的发电能源。

PPPL物理学家胡启明(Qiming Hu)和拉菲·纳齐基安(Raffi Nazikian)是“物理评论快报”(Physical Review Letters)上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，因为产生限制等离子体的磁场的等离子体电流值非常精确。这就产生了一个问题，因为托卡马克反应堆必须在很宽的等离子体电流范围内运行，以探索和优化产生聚变电力所需的条件。

作者们展示了如何通过改变施加在等离子体上的螺旋磁波的结构，在更大的等离子体电流范围内消除ELMS，并改进聚变功率的产生。胡说，他相信这些发现可以为ITER提供它将需要的广泛的操作灵活性，以证明聚变能源的实用性。“这个模型对抑制热核实验堆中的榆树有重要意义，”他说。

事实上，“我们所做的就是准确预测我们什么时候可以在更宽的等离子体电流范围内实现榆树抑制，”负责PPPL托卡马克研究的纳齐基安说。通过试图理解我们在DIII-D上看到的一些奇怪的结果，我们找出了控制使用这些螺旋波纹磁场可以实现的榆树抑制范围的关键物理。“然后我们回到过去，想出了一种方法，可以在DIII-D和ITER中更常规地产生更广泛的榆树抑制操作窗口。”

这一发现为增强型托卡马克操作打开了大门。GA科学家、该论文的合著者卡洛斯·帕斯-索尔丹(Carlos Paz-Soldan)表示：“这项工作描述了一条通过改变波纹结构来扩大托卡马克边缘不稳定控制操作空间的途径。”我们期待着用我们计划在几年后用于DIII-D的升级野外线圈来检验这些预测。“

回到飞机的比喻上来，“如果你只能在一两个不同的高度飞行，旅行将非常有限，”PPPL物理学家布莱恩·格里尔森(Brian Grierson)说，他是这篇论文的合著者之一。“解决这一限制将使飞机能够在广泛的高度飞行，以优化其飞行路线，完成其任务。”同样，本论文提出了一种方法，预计将扩大聚变反应堆的能力，使其能够在没有榆树的情况下运行，因为榆树可能会损坏设施，阻碍聚变能源托卡马克的发展。这一方法预计将扩大聚变反应堆的能力，使其能够在没有榆树的情况下运行，榆树可能会损坏设施，阻碍聚变能源托卡马克的发展。

参考文献：Q. M.Hu，R.Nazikian，B. A.Grierson，N. C.Logan，D. M.Orlov，C.Paz-Soldan和Q.Yu，2020年7月23日，“Wide Operating Window of Edge-Localized Mode Suppression by Resonant Magic Intermotions in the DIII-D Tokamak”。Doi：10.1103/PhysRevLett.125.045001。

对这项研究的支持来自美国能源部科学办公室。合作者包括加州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。部分数据分析是使用GA科学家开发的OMFIT集成建模框架进行的。