螺旋波电流驱动首获实验证实

DIII-D国家聚变设施的研究人员在《Physical Review Letters》（PRL）上发表论文，首次通过实验证实了螺旋波电流驱动。该方法可用于在适合聚变发电的工况下运行稳态托卡马克。

托卡马克等离子体：托卡马克中约束等离子体的主要方式，是利用一个大型中央螺线管感应驱动电流。然而，这种方法存在固有局限：它依赖通过变压器的磁通随时间变化，因此脉冲长度受螺线管循环周期限制。

尽管人们普遍认为稳态托卡马克更为理想，部分原因在于循环应力造成的损伤减少，可提高装置的经济性，但脉冲式运行并非不可接受，ITER等项目仍在以这种方式进行规划。

但追求非脉冲运行的项目还必须采用非感应式电流驱动。

非感应电流驱动方案：自然产生的环向电流称为自举电流，它可以提供等离子体总电流的很大一部分，在类堆工况下尤为明显，但要实现稳态运行，仍需要额外的电流驱动。

由于自举电流的剖面形状，额外的电流驱动在等离子体的中半径区域尤为必要。

目前存在多种方法。

中国的先进超导托卡马克装置（EAST）和法国的稳态托卡马克钨环境装置（WEST）都成功采用了一种射频（RF）电流驱动方式，即低杂波电流驱动（LHCD），实现了长脉冲运行。但LHCD存在密度极限，超过该极限后便无法驱动电流，因此对聚变发电的作用有限，预计只能在等离子体外缘使用。

英国的球形托卡马克能源生产装置（STEP）旨在建成以稳态运行为目标的原型发电厂，需要采用不同的方案。STEP将使用近200台回旋管，通过电子回旋波注入功率。该方案只需在真空容器上开一个束流入口，束流可在真空中传播。这种方式结构较为简单，但目前效率较低，这可能成为开发经济型反应堆时的关键考量。

第二类射频电流驱动方式为快波电流驱动，现称螺旋波电流驱动，曾在20世纪80年代进行探索，但未获成功。General Atomics的科学家、PRL论文的作者之一Bob Pinsker当时也是追求这一方案的研究人员之一。

“20世纪80年代有一系列实验试图实现螺旋波电流驱动，但其中没有一个完全成功，包括我的博士论文实验在内，”他说。

但这其实并不令人意外。采用标准模型进行的计算表明，在当时托卡马克能够探索的工况下，螺旋波电流驱动的效果预计“非常非常弱”。

“当年尝试这一方案的人，大多抱着碰运气的心态。我们当时希望模型中的那部分是错误的，”Pinsker说，“我过去常说，低杂波频段的快波恰恰是你在反应堆等离子体中最想要的东西。问题始终在于，我们没有可用于测试的反应堆。”

尽管从未得到实验证明，螺旋波电流驱动已被多个现代托卡马克装置考虑，直到现在才得到证实。

关键进展：用于验证螺旋波电流驱动的实验搁置了数十年。据Pinsker介绍，莫斯科的库尔恰托夫研究所（Kurchatov Institute）的Victor Vdovin曾积极推动重新开展这一方法的研究。他将该方案重新命名为“螺旋波电流驱动”，并向世界各地的多个项目推荐。然而，他所在的研究所只有在该想法已在其他地方得到验证之后，才允许他开展相关研究。

当他联系DIII-D时，团队对这一方案进行了考虑。Pinsker表示，在更仔细地研究后，他们发现自20世纪80年代以来已取得若干关键进展，这些进展使他们认为有机会成功。

DIII-D能够接近类堆等离子体参数，消除了早期研究的一个主要限制。另有两项技术进展被认为会有所帮助：General Atomics设计了一种称为“梳状线”（comb line）的波导发射结构，预计能更高效地发射波；此外，等离子体测量技术也已发展到可以观测等离子体内驱动电流的程度。

团队设计了实验，并在PRL论文中发表了结果。Pinsker与同为General Atomics科学家的Jeff Lestz和Bart Van Compernolle共同担任该论文的第一作者。General Atomics负责运营DIII-D。

清晰的观测结果：Pinsker表示，关键的物理结果是，研究人员清楚地观测到等离子体因吸收螺旋波而出现的加热，这与理论预测一致。

“这表明我们的判断是正确的，即我们可能获得足够接近反应堆的参数，从而真正进入强吸收区。仅就这一点而言，这似乎就是一项首创成果，”他说。

Pinsker还表示，梳状线天线按预期工作，同时研究人员能够测量等离子体中的电流，清楚地证明他们确实以预想的方式驱动了电流，这在技术上同样十分重要。

“我们力求尽可能严谨，进行了规范的统计研究，我认为这正是本次实验的一大特点，”他说，“我们竭力确保不会被指责选择性地展示数据，或者仅展示某一次产生重大效果的偶然放电。”

下一步工作：螺旋波电流驱动的实验证实并非小事，但仍需进一步研究，以说明其在不同工况下的表现。PRL论文中描述的实验，仅考察了在等离子体芯部驱动螺旋波电流的情况，并且仅针对低约束模式。

“要推进这项工作，我们真正需要的是大幅提高功率，当然，这并不容易，”Pinsker说。他还表示，很难想象托卡马克会同时使用多种电流驱动方式，因为这会大幅增加系统复杂性；哪一种方案最为有效和高效，仍是一个悬而未决的问题。

螺旋波电流驱动能否成为最终方案？

“有可能，”Pinsker说，“我认为现在还为时过早，无法作出明确判断。”