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物理学家提高聚变反应性能的新型脉冲射频控制方法

时间：2022-04-30 09:25:06 来源：

美国能源部/普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家金素英。

科学家们发现了一种新颖的方法来防止等离子体中讨厌的磁泡干扰聚变反应-提供了一种潜在的方法来改善聚变能量装置的性能。它来自于管理射频（RF）波以稳定磁泡，磁泡会膨胀并造成破坏，从而限制ITER的性能，这是法国正在建设的国际设施，旨在证明融合动力的可行性。

磁岛

美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究人员已经开发出了用于控制这些磁气泡或孤岛的新模型。新颖的方法修改了将射频（RF）稳定地沉积到等离子体中以稳定岛的标准技术，该技术在岛的宽度较小时与RF沉积在其上的区域的特征尺寸相比被证明是无效的它的力量。

该区域表示“阻尼长度”，即在不存在任何非线性反馈的情况下通常会在其上沉积RF功率的区域。当区域的大小大于岛的宽度（称为“低阻尼”的情况）时，RF功率的有效性会大大降低，因为大量功率随后会从岛中泄漏出来。

托卡马克是一种会遇到此类问题的环形炸药，是全世界科学家最广泛使用的设备，他们试图产生和控制聚变反应，以提供几乎无穷无尽的安全，清洁的电力供应。这种反应将等离子形式的轻元素结合在一起—由自由电子和原子核组成的物质状态，构成可见宇宙的99％—产生驱动太阳和恒星的大量能量。

克服问题

PPPL的普林斯顿等离子体物理课程的研究生，描述物理方法的论文的主要作者Suying Jin说，新模型预测，以脉冲而不是稳态流的形式沉积射线可以克服泄漏问题。等离子。她说：“在具有相同平均功率的高阻尼情况下，脉冲还可以提高稳定性。”

她说，为使这一过程正常进行，“脉冲处理的速度既不能太快也不能太慢。”“这个最佳点应该与热量通过扩散从岛上消散的速率相一致。”

这种新模型借鉴了金正日的共同作者和顾问艾伦·赖曼（PPA的杰出研究员）以及普林斯顿大学等离子体物理项目主任兼PPPL学术事务副主任纳特·费施（Nat Fisch）教授的以往工作。他们的研究为研究射频功率沉积以稳定磁岛提供了非线性框架。

Reiman说：“ Suying的工作的意义在于，它大大扩展了可用于应用托卡马克方法进行经济融合所面临的关键问题的工具。托卡马克岛被这些自然而又不稳定的岛屿所困扰，这将导致血浆的灾难性和突然损失。”

添加了Fisch：“ Suying的工作不仅提出了新的控制方法，而且还提出了新的控制方法。她对这些新预测的效应的识别可能迫使我们重新评估过去的实验发现，其中这些效应可能没有发挥重要作用。现在，她的工作激发了一些具体的实验，这些实验可以阐明作用机理，并指出如何最好地控制这些灾难性的不稳定因素。”

原始模型

RF沉积的原始模型表明，它会升高温度并驱动岛中心的电流，从而阻止其生长。然后，在功率沉积和孤岛温度变化之间会出现非线性反馈，从而大大提高了稳定性。控制这些温度变化的是岛边缘处的等离子体中的热量扩散。

但是，在阻尼长度小于孤岛大小的高阻尼状态下，这种相同的非线性效应会在稳态沉积过程中产生一个称为“阴影”的问题，从而导致RF射线在到达之前耗尽功率岛的中心。

Jin说：“我们首先研究了脉冲射频方案，以解决阴影问题。”“但是，事实证明，在高阻尼状态下，非线性反馈实际上会导致脉冲加剧阴影，射线甚至会更快地耗尽功率。因此，我们解决了这个问题，发现非线性效应会导致脉冲，从而减少在低阻尼情况下从岛上泄漏出来的功率。”

金说，这些预测的趋势自然很适合进行实验验证。她指出：“这样的实验旨在表明，脉冲会增加岛的温度，直到达到最佳的等离子体稳定为止。”

参考：S. Jin，N.J.Fisch和A.H.Reiman撰写的“用于撕裂模式稳定的脉冲RF方案”，2020年6月9日，等离子体物理。DOI：
10.1063/5.0007861

这项研究的资金来自美国能源部科学办公室。


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