英德研究突破聚变等离子体控制难题
摘要
英国和德国在聚变等离子体研究上取得进展。英国利用MAST Upgrade装置开发了控制等离子体失衡的新技术，并实现了最高等离子体压力，有效抑制了破坏性的边缘局域模。德国IPP研究则首次从第一性原理揭示了等离子体边缘湍流的自组织行为及其对能量约束和排热的影响，为未来聚变电站设计提供了关键理论依据。
英国和德国的最新研究为理解聚变等离子体提供了可喜进展，有望使商业聚变能源的梦想更接近现实。
英国原子能管理局报告称，其已利用MAST Upgrade聚变装置完成了系列实验中的第五轮实验。MAST Upgrade是世界上最大的在运球形托卡马克。在最新一轮实验中，UKAEA研究人员采用了新技术来探测和控制等离子体失衡，同时实现了MAST Upgrade迄今最高的等离子体压力。
德国Max Planck等离子体物理研究所报告称，发表在《Physical Review Letters》期刊上的两项IPP研究“首次从第一性原理出发，解释了聚变等离子体极薄边缘层中发生的情况。”与UKAEA报告的新研究一样，德国的这些研究揭示了如何更好地控制破坏聚变装置中等离子体稳定性的能量爆发。
MAST Upgrade实验：MAST Upgrade（即兆安培球形托卡马克升级装置）是UKAEA的旗舰聚变技术，能够产生3000万摄氏度的等离子体。它正被用于实现三个主要目标：研究新型排热概念、为未来聚变电站降低球形托卡马克设计的风险并推进其发展，以及扩展物理知识以支持更广泛的英国聚变计划。
在2025年和2026年期间，MAST Upgrade研究团队产生了超过1000个聚变等离子体，试图抑制由等离子体内部产生的高压所导致的破坏性等离子体不稳定性。这些不稳定性被称为边缘局域模（ELMs），表现为沿等离子体边缘的爆发，导致等离子体压力下降和能量损失，阻碍聚变装置达到商业上可行的能量水平。这些爆发还可能损坏托卡马克的内壁和排热系统。
为抑制ELMs，科学家们应用了被称为准连续排热（QCE）模式和共振磁扰动（RMP）ELM抑制模式的研究方案。在RMP模式中，线圈产生三维磁场，降低等离子体边缘的压力，以保持等离子体稳定并防止爆发。
此外，还使用了另外两种模式，即静默H模（QH模）和I模，以增强等离子体能量约束，同时缓解与大型ELMs相关的某些问题。
更进一步：在另一项突破中，UKAEA研究团队开发了一种控制等离子体位置的技术。该技术涉及对托卡马克上下外部偏滤器发射的氘产生的可见光进行精确测量。这些测量能够实时探测并修正微小的位置失衡。
在与MAST Upgrade相关的新研究的另一个方面，研究人员探索了被称为“负三角形变”的等离子体形状的生成。这种形状可以使托卡马克在高功率下运行而不产生ELMs。
据UKAEA称，MAST Upgrade取得的新成就将“使等离子体能够在更稳定的边界下运行，为聚变电站能够在更少的破坏性能量冲击下运行提供真正的信心”，并将“推动聚变走向使用自动化实时控制系统，这是未来电站无需持续人工干预即可运行所需要的。”
UKAEA MAST Upgrade科学负责人James Harrison表示，最新的研究成果“真正塑造了未来聚变电站的设计。”他继续说道：“国际社会对我们数据的关注程度反映了英国在全球聚变研究中的核心作用，这些发现使我们向实用的聚变能源又迈进了一步。”
ASDEX Upgrade研究：在IPP，两个研究团队利用ASDEX Upgrade托卡马克的仿真，使用高性能计算机计算了等离子体边缘发生的奇怪现象的细节。ASDEX Upgrade（即轴对称偏滤器实验升级装置）是一个中型托卡马克，自20世纪90年代初开始运行。
ELMs与QCE：由Kaiyu Zhang领导的一个IPP团队聚焦于发生ELM爆发的等离子体边缘的陡峭压力梯度。该团队仿真了QCE行为。
这些仿真揭示了一种波状结构沿着等离子体边缘一条称为分界线的不可见边界传播，导致基座有节奏地振荡。在这种振荡过程中，指状的等离子体包被持续夹断。每个等离子体包的直径仅约1厘米，但沿磁力线延伸超过19米。这些等离子体包以约1000米/秒的速度向外传播，将热量分布在广阔区域。
在他们的仿真中，Zhang的团队首次证明，这种现象是由在分界线边界相遇的两种不同类型不稳定性的相互作用引起的。抑制这种相互作用会导致携带热量的等离子体包消失。仿真得出的密度和温度分布与ASDEX Upgrade的实际测量结果一致。
磁场方向：由Baptiste Frei领导的另一个IPP团队进行了仿真，以更好地理解磁场方向对H模的影响，H模是达到托卡马克运行状态所需的加热功率。
仿真表明，等离子体边缘的湍流产生了一个能量流反馈回路，该回路可以剪切撕裂湍流结构，从而控制湍流。然而，该反馈回路仅在磁场的一个方向上有效运行——在该方向上，等离子体边缘的湍流结构发生倾斜，从而将其能量有效地传递给流动。在不利的磁场方向上，湍流和不稳定性依然强烈。
进入H模：Frei解释说：“从某种意义上说，反转磁场改变了湍流的编排方式，从而改变了等离子体进入H模的难易程度。”
IPP总结这两项研究的结果时指出：“在等离子体边缘，湍流不仅仅是研究人员试图抑制的破坏性影响。它会自组织，并在此过程中帮助调节等离子体的隔热效果及其排热方式。”IPP继续说道，要设计一座示范聚变电站，“需要对这种相互作用有定量的理解。”