PPPL科学家提出解决一个长期令人费解的核聚变问题

诸平

Physicist Stephen Jardin with images from his proposed solution. Credit: Elle Starkman/PPPL Office of Communications/Kiran Sudarsanan

据美国普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory简称PPPL）2022年7月13日报道，PPPL科学家提出解决一个长期令人费解的聚变问题（PPPL scientists propose solution to a long-puzzling fusion problem）。相关研究结果于2022年6月14日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）网站发表——S. C. Jardin, N. M. Ferraro, W. Guttenfelder, S. M. Kaye, S. Munaretto. Ideal MHD Limited Electron Temperature in Spherical Tokamaks. Physical Review Letters, 2022, 128(24): 245001 – Published 14 June 2022. DOI: 10.1103/PhysRevLett.128.245001. https://dx.doi.org/10.1103/PhysRevLett.128.245001

上述来自PPPL通信办公室照片就是物理学家斯蒂芬·贾丁（Stephen Jardin）和他提出的解决方案中的图像。

十几年前，这个悖论震惊了美国能源部 (U.S Department of Energy 简称DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的科学家。他们向球形托卡马克（tokamak）中发射的热量越多，中心温度升高的幅度就越小。托卡马克是一种旨在再现为太阳和恒星提供动力的聚变能量（fusion energy）的磁性设施。

大谜团（Big mystery）

执行计算的理论和计算科学小组负责人、发表在《物理评论快报》（Physical Review Letters）上的拟议解释的主要作者斯蒂芬·贾丁说：“通常情况下，你输入的光束功率越多，温度就越高。所以这是一个很大的谜团：为什么会发生这种情况？”

解开这个谜团可能有助于世界各地努力在地球上创造和控制核聚变，以产生几乎取之不尽的安全、清洁和无碳能源，从而在应对气候变化的同时发电。核聚变结合等离子体（ plasma）形式的轻元素释放大量能量。

通过最近的高分辨率计算机模拟，斯蒂芬·贾丁和他的同事们展示了什么可以导致等离子体中心的温度保持不变甚至下降，而等离子体是聚变反应的燃料，即使更多的加热功率被射入。

他们发现，增加功率还会使等离子体中的压力上升到等离子体变得不稳定的程度，等离子体的运动会使温度变平。

斯蒂芬·贾丁说：“这些模拟可能解释了12年前的实验观察。结果表明，在设计和操作球形托卡马克实验（tokamak experiments）时，必须注意确保 [设施] 某些位置的等离子体压力不超过某些临界值。而且我们现在有了一种通过计算机模拟量化这些值的方法。”

这些发现突显了研究人员在寻求在球形托卡马克中重现核聚变反应时要避免的一个关键障碍——与更广泛使用的甜甜圈形状的传统托卡马克相比，这种装置的形状更像苹果核。球形设备产生具有成本效益的磁场，并且是成为试点核聚变发电厂模型的候选者。

研究人员模拟了过去在国家球形环面实验 (National Spherical Torus Experiment简称NSTX) 上的实验，该实验是PPPL的旗舰核聚变设施，此后已经升级，并观察到了令人费解的等离子体行为。结果在很大程度上与NSTX实验中发现的结果相似。

“通过NSTX，我们获得了数据，并通过一个名为SciDAC的DOE 程序，我们开发了我们使用的计算机代码。SciDAC实际上是‘通过高级计算的科学发现（Scientific Discovery through Advanced Computing的简称）’，”斯蒂芬·贾丁说。PPPL的物理学家和合著者纳特·费拉罗（Nate Ferraro）说：“SciDAC程序绝对有助于开发代码。”

发现的机制（Discovered mechanism）

这一发现的机制在某些位置引起了更高的压力，从而打破了包裹在托卡马克周围、限制等离子体的磁场形成的嵌套磁场表面。这种分裂使等离子体内部电子的温度变平，从而保持了高温带电气体中心的温度，使其不会上升到与聚变相关的水平。

斯蒂芬·贾丁说：“所以我们现在认为，当提高注入的光束功率时，你也会增加等离子体压力，并且你会达到一定的压力开始破坏托卡马克中心附近的磁性表面，并且这就是温度停止上升的原因。”

他说，这种机制可能在球形托卡马克中普遍存在，并且在计划未来的球形托卡马克时，必须考虑到可能的表面破坏。

斯蒂芬·贾丁计划继续研究这一过程，以更好地了解磁性表面的破坏，以及为什么它比传统托卡马克更可能呈球形。他已受邀在 10 月份的美国物理学会等离子体物理分会 (American Physical Society-Division of Plasma Physics简称APS-DPP) 年会上展示他的发现，届时可以招募早期职业科学家来处理这个问题，并充实拟议机制的细节。  

这项研究得到了来自美国能源部科学办公室（DOE Office of Science）和美国能源部 SciDAC 计划（DOE SciDAC program）的支持。

位于美国新泽西州普莱恩斯伯勒（Plainsboro）的普林斯顿大学福里斯特尔校区（Princeton University's Forrestal Campus in Plainsboro, N.J., USA）的 PPPL,致力于创造关于等离子体（超热、带电气体）物理学的新知识，并为创造核聚变能开发实用的解决方案。该实验室由美国能源部科学办公室管理，该办公室是美国物理科学基础研究的最大支持者，致力于解决我们这个时代最紧迫的一些挑战。欲了解更多信息，请访问 https://energy.gov/science

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

State-of-the-art computer code could advance efforts to harness fusion energy

Abstract

It is well documented that the central electron temperature in the national spherical torus experiment (NSTX) remains largely unchanged as the external heating power, and hence the normalized volume averaged plasma pressure β increases [Stutman, Phys. Rev. Lett. 102, 115002 (2009)]. Here we present a hypothesis that low n, pressure driven ideal magnetohydrodynamic (MHD) instabilities that are nondisruptive, can break magnetic surfaces in the central region and thereby flatten the electron temperature profiles. We demonstrate this mechanism in a 3D resistive MHD simulation of a NSTX discharge. By varying the toroidal magnetic field strength, and/or the heating power, we show that there is a critical value of β, above which the central temperature profile no longer peaks on axis.