新型等离子体逃逸机制可保护聚变容器免受过热影响

Josiah

　　美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）、橡树岭国家实验室和国际热核聚变实验堆组织（ITER）的研究人员表示，商业规模反应堆中聚变等离子体产生的巨大废热对反应堆内部结构的破坏可能并不像曾经认为的那样大。
　　“这一发现从根本上改变了我们对聚变过程中热量和粒子在等离子体边缘两个至关重要区域之间传播方式的看法，”PPPL 管理首席研究物理学家 Choongseok Chang 说道，他领导了这一发现背后的研究团队。最近，一篇详细介绍他们工作的新论文发表在《核聚变》杂志上，此前该 主题已发表多篇论文。
　　为了实现核聚变，托卡马克（一种容纳等离子体的环形装置）内部的温度必须超过 1.5 亿摄氏度。这比太阳中心的温度高 10 倍。容纳如此高温的物质是一项挑战，尽管等离子体大部分被磁场隔离在内表面之外。这些磁场将大部分等离子体限制在称为核心的中心区域，形成一个环形环。
　　然而，一些粒子和热量会从受限等离子体中逸出，并撞击面向等离子体的物质。PPPL 研究人员的新发现表明，从托卡马克内部核心等离子体中逸出的粒子与托卡马克的碰撞面积比以前认为的要大，从而大大降低了损坏的风险。
　　过去基于物理学和当今托卡马克实验数据的研究表明，废热将集中在托卡马克壁上被称为偏滤器板的非常窄的带上。偏滤器专门用于去除燃烧等离子体产生的废热和颗粒，对托卡马克的性能至关重要。
　　实验性 ITER 托卡马克将有一个偏滤器围绕托卡马克室底部以环形运行。在上图中，偏滤器以黄色突出显示。图片来源：ITER 组织
　　“如果所有的热量都集中在这个狭窄的区域，那么偏滤器板的这一部分就会很快损坏，”在 PPPL 理论部门工作的张说。“这可能意味着频繁的停机时间。即使你只是更换机器的这一部分，也不会很快。”
　　这个问题并没有阻止现有托卡马克的运行，这些托卡马克的功率不如商用级聚变反应堆所需的功率。然而，在过去的几十年里，人们一直非常担心商用级装置会产生密度过高、温度过高的等离子体，从而可能损坏偏滤器板。一项提议的计划是在等离子体边缘添加杂质，以辐射逸出等离子体的能量，降低撞击偏滤器材料的热量强度，但张说，这个计划仍然具有挑战性。
　　模拟逃生路线
　　张决定研究粒子如何逃逸，以及粒子将落到 ITER 等装置上的何处，ITER 是法国正在组装的跨国核聚变设施。为此，他的团队使用一种称为X-Point Included Gyrokinetic Code (XGC) 的计算机代码创建了一个等离子体模拟。该代码是 PPPL 开发和维护的用于聚变等离子体研究的几种代码之一。
　　模拟显示了等离子体粒子如何穿过磁场表面，该表面旨在成为约束等离子体与非约束等离子体（包括偏滤器区域中的等离子体）之间的边界。由外部磁铁产生的磁场表面被称为最后约束表面。
　　几十年前，Chang 和他的同事发现带电粒子（称为离子）会穿过该屏障并撞击偏滤器板。他们后来发现这些逃逸的离子导致热负荷集中在偏滤器板上非常狭窄的区域。
　　几年前，常和他的同事发现等离子体湍流可以让带负电的粒子（电子）穿过最后的约束面，并使 ITER 偏滤器板上的热负荷增加 10 倍。然而，模拟仍然假设最后的约束面不受等离子体湍流的干扰。
　　“在这篇新论文中，我们表明，聚变过程中的等离子体湍流会严重干扰最后的约束表面，即使没有外部线圈或突然的等离子体不稳定性造成的干扰也是如此，”Chang 说道。“由于疯狂的湍流磁表面扰动（称为同宿缠结），良好的最后约束表面并不存在。”
　　事实上，Chang 表示，模拟表明电子将主等离子体的边缘与偏滤器等离子体连接起来。电子沿着这些同宿缠结的路径行进时，热冲击区比之前仅基于湍流的宽度估计值高出 30%。
　　他解释说：“这意味着，当偏滤器等离子体中杂质注入电子时，废气热量与电子辐射冷却相结合，偏滤器表面被损坏的可能性更小。研究还表明，湍流同宿缠结可以降低等离子体边缘突然不稳定的可能性，因为它们削弱了驱动力。”
　　“托卡马克装置中的最后一个约束面不应该被信任，”Chang 说道。“但讽刺的是，它可以通过降低稳态运行中偏滤器表面损坏的可能性，以及消除由于突变边缘等离子体不稳定性而导致的偏滤器表面等离子体能量的瞬时爆发来提高聚变性能，而这两项问题是未来商用托卡马克反应堆性能最受限制的问题。”