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美国能源部/普林斯顿等离子物理实验室-核聚变是驱动太阳和恒星的能量，产生大量的能量。地球上的科学家们试图复制这一过程，将光元素以由自由电子和原子核组成的热带电等离子体的形式融合在一起，创造出几乎取之不尽、用之不竭的电力供应，在所谓的“瓶中之星”中发电。 在努力捕捉地球上核聚变的力量的过程中，一个长期的难题是如何减少或消除等离子体中常见的不稳定性，这种不稳定性被称为边缘局域模(ELMs)。就像太阳以太阳耀斑的形式释放出巨大的能量一样，像榆树一样的耀斑也能猛烈撞击容纳聚变反应的环形托卡马克容器壁，有可能破坏反应堆壁。 纹波控制新的脉冲 为了控制这些爆发，科学家们用一种叫做共振磁扰动（RMPs）的微小磁波干扰等离子体，这种扰动会扭曲等离子体的光滑圆环状，释放额外的压力，从而减轻或阻止ELMs的发生。最困难的部分是产生正确数量的三维失真，以消除ELMs，同时又不引发其他不稳定性，并且释放出太多能量，在最坏的情况下，这些能量可能导致导致终止等离子体的重大中断。 使任务异常困难的事实是，可以对等离子体施加几乎无限数量的磁性失真，从而导致精确地找到正确类型的失真是非常大的挑战。但现在不会了。 美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的物理学家Jong-Kyu Park与来自美国和韩国的国家核聚变研究所（NFRI）合作，成功预测了整套有益的3D失真控制ELM而不会产生更多问题。研究人员在位于韩国大田市的韩国超导托卡马克先进研究中心（KSTAR）的设备上验证了这些预测。KSTAR是世界上最先进的超导托卡马克装置之一。 KSTAR是测试的理想选择 KSTAR是测试预测的理想选择，因为它采用先进的磁铁控制技术，可以在等离子体的近乎完美的圆环形对称性中产生精确的扭曲。如果没有研究团队开发的预测模型，识别最有利的扭曲（其数量不到KSTAR内可能产生的所有扭曲的1%）几乎是不可能的。 其结果是开创先例的成就。“我们首次展示托卡马克的全3D场操作窗口，以抑制ELM而不会引起核心不稳定或过度降低限制，”Park说。该论文由来自美国和韩国的14位合著者撰写，发表在《自然物理学》杂志上。“长期以来，我们认为要识别出所有有利的对称破缺场，在计算上太困难了，但我们现在的工作展示了一个简单的程序来识别所有这些构型的集合。” 当研究人员意识到等离子体可以扭曲的方式实际上远远少于可以应用于等离子体的可能3D场的范围时，他们降低了计算的复杂性。通过向后工作，从扭曲到3D场，作者计算了消除ELM的最有效领域。 KSTAR实验以非常准确的方式证实了这些预测。 调查结果提供了新的信心 关于KSTAR的研究结果为ITER的最佳3D场预测能力提供了新的信心，ITER是法国正在建设的国际托卡马克，该公司计划使用特殊磁铁产生3D畸变来控制ELMs。这种控制对ITER是至关重要的，ITER的目标是产生比加热等离子多10倍的能量。本文作者说：“本研究采用的方法和原理可以极大地提高托卡马克复杂三维优化过程的效率和保真度。” 韩国在这一项目上的工作是由NFRI在韩国大田赞助的。NFRI是韩国领先的聚变能源研究机构，致力于为聚变能源的实现奠定科学和工程基础。NFRI在韩国科学和信息与通信技术产业部下运作KSTAR。KSTAR是世界上领先的超导托卡马克之一，它的目标是利用高精度的磁力系统，以及3D磁场的生产、先进的成像技术和其他对这项工作的成功至关重要的能力，实现高性能的稳态运行。 |
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