开发安全、清洁、无碳能源的障碍具有惊人的吸引力

诸平

Credit: CC0 Public Domain

据物理学家组织网（phys.org）2022年8月19日报道，开发安全、清洁、无碳能源的障碍具有惊人的吸引力（Surprising attractiveness of hurdle to developing safe, clean and carbon-free energy）。

科学家们发现，逆转一种用于对抗地球上产生聚变能的关键障碍的标准方法，会产生显著的影响。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(Princeton Plasma Physics Laboratory简称PPPL)的理论家们提出了一种与规定程序完全相反的做法，以大幅改善未来的结果。

等离子体撕裂洞（Tearing holes in plasma）

这个被称为“锁定撕裂模式（locked tearing modes）”的问题出现在当今所有的托卡马克装置（tokamaks）中，托卡马克是一种甜甜圈形状的磁性装置，旨在创造和控制驱动太阳和恒星的几乎无限的核聚变能量。

由不稳定性引起的模式随着热的带电等离子体（charged plasma）旋转，这是由自由电子和原子核（atomic nuclei）组成的物质的第四种状态，原子核为聚变反应（fusion reactions）提供燃料，并在磁场中形成被称为群岛的撕裂洞，限制气体，使关键热量泄漏。

当这些模式停止旋转并锁定位置时，这些岛屿会变得更大，这种增长速度会增加热量损失，降低等离子体的性能，并可能导致中断，使储存在等离子体中的能量撞击并破坏托卡马克的内壁。为了避免这样的风险，研究人员现在向等离子体发射微波，以在模式锁定之前稳定它们。相关研究结果于2022年7月6日已经在《核聚变》(Nuclear Fusion)杂志网站发表——Richard Nies, Allan H. Reiman, Nathaniel J. Fisch. On the stabilisation of locked tearing modes in ITER and other large tokamaks. Nuclear Fusion, 2022, 62(8): 086044. DOI: 10.1088/1741-4326/ac79bd. Published 6 July 2022. https://dx.doi.org/10.1088/1741-4326/ac79bd

参与此项研究的除了来自PPPL的研究人员之外，还有来自美国普林斯顿大学（Princeton University）的研究人员。

此研究结果强烈表明，研究人员在大的下一代托卡马克锁定模式后将其稳定下来。在当今的托卡马克中，“这些模式锁定的速度比人们想象的要快，当它们仍在旋转时，稳定它们变得更加困难，”理查德·尼斯(Richard Nies)说。他是普林斯顿等离子体物理项目（Princeton Program in Plasma Physics）的博士生，也是阐述了这些惊人发现的《核聚变》论文的第一作者。他补充说，另一个缺点是，“这些微波通过等离子体的折射增加了它们的宽度，这使得模式在旋转时的稳定性变得更低，而这个问题在近年来变得更加严重。”

与这些问题相伴随的事实是，在未来的大型托卡马克中，比如法国南部正在建设的国际热核实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor简称ITER)，“等离子体如此巨大，以至于旋转速度要慢得多，这些模式在它们还很小的时候就锁定得非常快，”理查德·尼斯说。“因此，在未来的大型托卡马克中，更换稳定组件会更有效，让它们先锁定，然后稳定它们。”

这种逆转可能会促进聚变过程，世界各地的科学家都在寻求复制这一过程。这个过程将轻元素以等离子体的形式结合起来，释放出大量的能量。杰出的研究人员、该论文的合著者艾伦·雷曼(Allan H. Reiman)说：“这提供了一种看待事物的不同方式，可能是处理问题的一种更有效的方式。人们应该更加认真地考虑允许这些岛屿被封锁的可能性。”

接近中断（Close to disrupting）

推荐的技术在今天的托卡马克不太可能奏效，因为撕裂模式岛在锁定这些设施时增长得太快，规模太大，一旦锁定，等离子体就接近于中断。这就是为什么研究人员现在必须使用大量的能量以限制聚变输出为代价来稳定模式。相比之下，新一代托卡马克岛的缓慢增长“在造成中断之前还有很长的路要走，所以有很多时间来稳定模式，”理查德·尼斯说。

一旦未来托卡马克的模式被锁定在合适的位置，微波就可以直接瞄准它们，而不是只在它们旋转过现有设备中的微波束时才使它们稳定。理查德·尼斯指出:“这些理论计算显示了我们提议的效率。”他说，现在需要做的是对提议的行动方案进行试验。“我们不想打开ITER，然后才发现哪种策略有效。这是一个真正的机会来探索我们在当前设备中解决的物理问题。”

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

Tearing modes in tokamaks typically rotate while small and then lock at a fixed location when larger. Research on present-day devices has focused almost exclusively on stabilisation of rotating modes, as it has been considered imperative to avoid locked modes. However, in larger devices, stabilisation during the rotating phase is made difficult by fast locking at small island widths, and large broadening of the stabilising wave-driven current profile. In contrast, the smaller island width at locking not only mitigates the deleterious consequences of locked modes, but also permits their efficient stabilisation. On large devices, it thus becomes surprisingly advantageous to allow the mode to grow and lock naturally before stabilising it, challenging the mainstream strategy of neoclassical tearing mode stabilisation during the rotating phase. Calculations indicate that a locked island stabilisation strategy should be adopted in the ITER tokamak, with a large potential impact on the fusion gain and disruptivity.