新的聚變研究進(jìn)展：用氫氖混合物冰丸冷卻1億度等離子體防止發(fā)生大破裂

純氫和氫與5%氖混合的等離子體行為。在該實(shí)驗(yàn)中，使用一種新的湯姆遜散射（TS）診斷系統(tǒng)（以（前所未有的速率）20 kHz運(yùn)行，以（i）測(cè)量等離子體通過觀察區(qū)域的密度，以及（ii）確定其位置，這驗(yàn)證了理論預(yù)測(cè)。資料來源：國(guó)家聚變科學(xué)研究所

在ITER——世界上最大的實(shí)驗(yàn)聚變反應(yīng)堆，目前正在法國(guó)通過國(guó)際合作建造——通過所謂的“破裂”突然終止高溫等離子體的磁約束是一個(gè)重大的懸而未決的問題。作為對(duì)策，中斷緩解技術(shù)允許在檢測(cè)到等離子體不穩(wěn)定跡象時(shí)強(qiáng)制冷卻等離子體，是全球深入研究的主題。

現(xiàn)在，來自美國(guó)國(guó)立量子科學(xué)與技術(shù)研究所（QST）和國(guó)家科學(xué)研究所（NINS）的國(guó)家聚變科學(xué)研究所（NIFS）的一組日本研究人員發(fā)現(xiàn)，通過在氫冰丸中添加約5%的氖，可以將等離子體更深地冷卻到其表面以下，因此比注入純氫冰丸更有效。

利用NIFS擁有的大型螺旋裝置的理論模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)量以及先進(jìn)的診斷，研究人員闡明了在冰丸周圍形成的致密等離子體的動(dòng)力學(xué)，并確定了負(fù)責(zé)成功增強(qiáng)強(qiáng)制冷卻系統(tǒng)性能的物理機(jī)制，這對(duì)于在ITER進(jìn)行實(shí)驗(yàn)是必不可少的。這些結(jié)果將有助于為未來的聚變反應(yīng)堆建立等離子體控制技術(shù)。該團(tuán)隊(duì)的報(bào)告在《物理評(píng)論快報(bào)》上在線提供。

通過國(guó)際合作，世界上最大的實(shí)驗(yàn)聚變反應(yīng)堆ITER正在法國(guó)建設(shè)。在ITER上，將進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，通過將氫同位素等離子體的“燃燒狀態(tài)”保持在1億度以上來產(chǎn)生500兆瓦的聚變能。這些實(shí)驗(yàn)成功的主要障礙之一是稱為“破裂”的現(xiàn)象，在此期間，用于限制等離子體的磁場(chǎng)配置由于磁流體動(dòng)力學(xué)不穩(wěn)定性而坍塌。

破裂會(huì)導(dǎo)致高溫等離子體流入容器的內(nèi)表面，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)損壞，進(jìn)而可能導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)進(jìn)度延遲和成本增加。盡管ITER的機(jī)器和運(yùn)行條件經(jīng)過精心設(shè)計(jì)以避免中斷，但不確定性仍然存在，并且需要進(jìn)行許多實(shí)驗(yàn)，因此需要專門的機(jī)器保護(hù)策略作為保障。

解決這個(gè)問題的一個(gè)有希望的解決方案是一種稱為“中斷緩解”的技術(shù)，該技術(shù)在檢測(cè)到可能導(dǎo)致破裂的不穩(wěn)定跡象的最初跡象時(shí)強(qiáng)制冷卻等離子體，從而防止損壞面向等離子體的材料組件。作為基本策略，研究人員正在開發(fā)一種方法，使用在低于10開爾文的溫度下冷凍的氫冰顆粒并將其注入高溫等離子體中。

注入的冰從表面融化，由于環(huán)境高溫等離子體的加熱而蒸發(fā)和電離，在冰周圍形成一層低溫、高密度的等離子體（以下簡(jiǎn)稱“等離子體”）。這種低溫、高密度的等離子體與主等離子體混合，主等離子體的溫度在此過程中降低。然而，在最近的實(shí)驗(yàn)中，很明顯，當(dāng)使用純氫冰時(shí)，等離子體在與目標(biāo)等離子體混合之前就被彈出，使其無法有效地冷卻地表以下更深的高溫等離子體。

這種噴射歸因于等離子體的高壓。定性地，限制在甜甜圈形磁場(chǎng)中的等離子體傾向于與壓力成比例地向外膨脹。由氫冰的熔化和電離形成的等離子體很冷，但非常致密。由于溫度平衡比密度平衡快得多，因此等離子體壓力高于熱目標(biāo)等離子體的壓力。結(jié)果是等離子體變得極化并經(jīng)歷磁場(chǎng)的漂移運(yùn)動(dòng)，因此它在能夠與熱目標(biāo)等離子體完全混合之前向外傳播。

從理論分析中提出了這個(gè)問題的解決方案：模型計(jì)算預(yù)測(cè)，通過將少量氖混合到氫中，可以降低等離子體的壓力。氖在大約20開爾文的溫度下凍結(jié)，并在等離子體中產(chǎn)生強(qiáng)烈的線輻射。因此，如果在注入前將氖與氫冰混合，部分加熱能可以作為光子能量發(fā)射。

為了證明使用氫氖混合物的這種有益效果，在日本土岐的大型螺旋裝置（LHD）中進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。多年來，LHD一直運(yùn)行一種稱為“固體氫丸注射器”的裝置，具有很高的可靠性，該裝置以3 m / s的速度注入直徑約1100 mm的冰丸。由于該系統(tǒng)的高可靠性，能夠以1毫秒的時(shí)間精度將氫冰注入等離子體中，從而可以在注入的冰融化后立即測(cè)量等離子體溫度和密度。

最近，使用新的激光技術(shù)在LHD系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)了世界上最高的湯姆遜散射（TS）時(shí)間分辨率20 kHz。使用這個(gè)系統(tǒng)，研究小組捕捉到了等離子體的進(jìn)化。他們發(fā)現(xiàn)，正如理論計(jì)算所預(yù)測(cè)的那樣，當(dāng)氫冰摻雜約5%的氖時(shí)，等離子體噴射受到抑制，與注入純氫冰的情況形成鮮明對(duì)比。此外，實(shí)驗(yàn)證實(shí)，氖燈在等離子體的有效冷卻中起著有用的作用。

本研究結(jié)果首次表明，將摻有少量氖的氫冰丸注入高溫等離子體中，有助于通過抑制等離子體噴射來有效冷卻等離子體的深核區(qū)域。氖摻雜的這種效應(yīng)不僅作為一種新的實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象很有趣，而且還支持了ITER中干擾緩解基線策略的發(fā)展。ITER中斷緩解系統(tǒng)的設(shè)計(jì)審查計(jì)劃于2023年進(jìn)行，目前的結(jié)果將有助于提高系統(tǒng)的性能。