研究发现托卡马克形状会影响核聚变能

尽管对托卡马克进行了广泛的研究，但仍然面临一些挑战。主要挑战之一是保持等离子体的稳定性，特别是在反应堆壁附近的边缘。这个区域被称为基座，容易受到不稳定性的影响，这些不稳定性会破坏等离子体并对聚变反应堆的整体性能产生负面影响。

在发表于《核聚变》和《等离子体物理学》杂志上的一系列研究中，研究人员开发了一种理论模型（为球形托卡马克量身定制），研究等离子体的行为和不稳定性。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究员杰森·帕里西博士领导了这三项研究。

托卡马克和核聚变概述

核聚变是两个原子融合在一起产生另一个原子，释放大量能量的过程。反应本身需要非常高的温度和压力来克服将原子结合在一起的核力。与核裂变不同，这不是连锁反应，如果可以达到高温，它就会稳定下来。

托卡马克是具有环形设计的核反应堆。之所以选择这种形状，是因为它有效地将等离子体限制在反应器内。

等离子体是一种物质状态，不同于固体、液体和气体。它天然存在于恒星中，那里的温度极高，达数百万度。高温导致电子与原子分离，产生由自由电子和带正电的离子组成的热电离气体。

这种等离子体状态为原子核（带电离子）碰撞和融合提供了完美的环境。等离子体本身可以通过磁场控制以进行持续反应。

在托卡马克反应堆内部，有很强的磁场（超过地球磁场的200,000倍）。这些强场呈环形（或甜甜圈）形状，选择等离子体的形状时会跟随磁场。

托卡马克的形状对于影响等离子体行为至关重要。了解这一点是研究的一个关键动机。PPPL的国家球面环面实验（NSTX）具有苹果状带芯的形状，与传统的环形托卡马克相比，表现出良好的性能。

“作为物理学家，我们称苹果核器件为球形托卡马克，将‘甜甜圈’状器件称为传统托卡马克。从历史上看，用于预测边缘区域的物理模型适用于传统的托卡马克，但不适用于球形托卡马克。”帕里西解释说。

他还提到了最近的实验，这些实验表明，托卡马克的形状可能会极大地影响等离子体的性能，并最终影响产生聚变能的成本。“在这项工作中，我们希望系统地研究不同等离子体形状对等离子体性能的影响。”帕里西说。

边缘的等离子体行为

“托卡马克需要在等离子体的核心中保持高温才能产生大量的聚变能。然而，它们也必须在等离子体边缘附近冷却，这样它们就不会熔化含有等离子体的腔室中的固体材料。”帕里西说，这些是托卡马克反应堆的基本要求。保持较高的核心温度可确保粒子具有增加的动能，从而导致更频繁的碰撞和聚变反应。这增强了聚变发电的整体生成。

然而，等离子体温度在与壁相遇的边缘会突然下降。这个区域被称为基座。

“基座很棒，因为它们可以使核心温度更高，因此可以提供更高的聚变能力。”帕里西说。

这种操作模式被称为H模式，是托卡马克的标准。在这种模式下，等离子体在距离反应堆壁不远的地方迅速升温，从而促进了更高的聚变功率输出。

然而，这种陡峭的温度梯度也会导致不稳定性，从而破坏等离子体及其稳定性。这种不稳定性被称为边缘局部模式（或ELM）。

实验表明，这些基座在球形托卡马克中非常宽，这对于在H模式下操作托卡马克非常有希望。帕里西和他的团队认为，这些可以被优化为不含ELM，这就是他们研究的切入点。

所有托卡马克形状的理论模型

“我们开发了一个计算机模型，成功预测了基座区域球形托卡马克的等离子体行为。”帕里西解释说。

现有的理论模型，如EPED模型，可以很好地研究和预测传统或“甜甜圈”形托卡马克基座区域的等离子体行为，但不适用于球形托卡马克。

研究人员专注于改进该模型，使其适用于所有形状的托卡马克。EPED模型研究了各种参数，例如基座的高度和宽度，以及它们对等离子体稳定性的影响。

简单来说，基座高度表示等离子体边缘在过渡到较冷区域之前的最高温度和压力。基座宽度是指发生这种转变的距离，表示温度和压力变化的速度。

在改进模型时，研究人员将基座的稳定性与电流和压力驱动的不稳定性的类型联系起来。此外，他们使用陀螺动力学（一种研究磁场中等离子体行为的框架）来研究基座内的微不稳定性和湍流。

预测和发现

研究人员在3篇论文中取得了几项发现。他们的模型还准确地预测了球形托卡马克中更宽的基座。

“我们的研究结果表明，托卡马克应该致力于在没有ELM的托卡马克中实现宽基座”帕里西说。简单来说，基座高度表示等离子体边缘在过渡到较冷区域之前的最高温度和压力。基座宽度是指发生这种转变的距离，表示温度和压力变化的速度。

他们还证明，某些形状可以导致多个基座配置，为优化聚变能力提供各种选择。

此外，他们还研究了加热对不同基座配置的影响。他们的研究结果表明，更陡峭的基座，以更高的高度为特征，需要更多的加热。他们发现等离子体的剪切流，这意味着不同层的等离子体以不同的速度移动，导致基座变宽，从而增大了发电量。

“我们宽托卡马克基座的秘诀是：让你的托卡马克形状更像球形，不那么三角形（等离子体边界与环形的偏差），也不拉长。这三种选择中的每一个都有权衡取舍，因此将这些决策整合到托卡马克设计中并了解它们对发电厂的影响是这项工作的下一步。”帕里西补充道。

对商业融合和未来工作的影响

在问及这项研究对商业核聚变发电的影响时，帕里西回答说：“我们的理论模型验证了物理学家十年前发表的球形托卡马克中宽基座的实验测量结果。现在我们已经有了具有宽基座的球形托卡马克的实验和理论结果，我们可以更有信心地在未来的球形托卡马克中推进H模式操作。我们还可以预测如何为当前和未来的实验优化球形托卡马克。”

这项研究通过详细描述与各种托卡马克形状相关的等离子体行为，为未来的托卡马克构建奠定了坚实的基础。然而，目前尚不清楚哪种形状具有最显著的优势。

正如帕里西所指出的，建立模型非常耗时。它需要生成和分析大量仿真数据并进行严格的测试，这需要一年多的时间才能确保准确性。

该研究小组已经计划与其他机构一起测试他们在聚变实验方面的工作。这种模型有助于球形托卡马克提供经济优势。它们较小的尺寸直接影响了这一点，因为建造所需的资金更少。优化托卡马克的形状可以进一步降低成本。（逸文）