聚变研究的主要问题之一的新解决方案

I型ELM等离子体不稳定性可以熔化聚变装置的壁。来自马克斯普朗克等离子体物理研究所(IPP)和维也纳科技大学(TUWien)的一组研究人员找到了一种控制它们的方法。他们的工作发表在《物理评论快报》杂志上。

核聚变发电厂有朝一日可以为我们的能源问题提供可持续的解决方案。这就是为什么全世界都在对这种模仿太阳过程的能量产生方法进行研究。要使该原理在地球上起作用，等离子体必须在反应堆中加热到至少1亿摄氏度。磁场将等离子体包围，因此反应器的壁不会熔化。这仅是因为磁性形成的等离子体边缘的最外厘米处绝缘得非常好。然而，在该区域，等离子体不稳定性，即所谓的边缘局部模式(ELM)经常发生。在这种情况下，来自等离子体的高能粒子可能会撞击反应堆的壁，可能会损坏它。

来自加兴的马克斯普朗克等离子体物理研究所(IPP)和维也纳理工大学的研究人员现在已经能够证明：聚变反应堆的运行模式可以避免这个问题。人们有意接受许多不会对反应堆壁构成问题的小不稳定性，而不是大的、具有潜在破坏性的不稳定性。

“我们的工作在理解大型I型ELM的发生和预防方面取得了突破，”德国加兴IPP研究小组负责人、维也纳工业大学教授ElisabethWolfrum说。“我们提出的运行机制可能是未来聚变电厂等离子体最有希望的方案。”结果现已发表在《物理评论快报》杂志上。

一种被忽视的操作模式的复兴

在环形托卡马克聚变反应堆中，超热等离子体粒子高速移动。强大的电磁线圈确保粒子保持受限，而不是以破坏力撞击反应器壁。“然而，你也不希望将等离子体与反应堆壁完美隔离;毕竟，必须添加新燃料，并且必须去除聚变过程中产生的氦，”离子与等离子体物理学教授弗里德里希·奥迈尔解释说在奥地利维也纳的TUWien应用物理研究所。

反应堆内部的动力学细节很复杂：粒子的运动取决于等离子体密度、温度和磁场。根据人们如何选择这些参数，不同的操作制度是可能的。FriedrichAumayr的TUVienna小组和由ElisabethWolfrum协调的IPPGarching小组之间的长期合作现在导致了一种可以防止称为I型ELM的特别具有破坏性的等离子体不稳定性的操作制度。

早在几年前，实验已经展示了一种对抗危险的I型ELM的方法：等离子体被磁线圈轻微变形，因此其等离子体横截面不再是椭圆形，而是类似于圆角三角形。同时，等离子体的密度增加，特别是在边缘。

“然而，起初，人们认为这种情况只发生在当前运行的小型机器中，例如Garching的IPP的ASDEX升级，并且与反应堆无关，”目前正在攻读博士学位的LidijaRadovanovic解释说.在TUWien上关于这个主题的论文。“然而，通过新的实验和模拟，我们现在已经能够证明：即使在反应堆的预期参数范围内，该制度也可以防止危险的不稳定性。”

像一个带盖的锅

由于等离子体的三角形形状和在等离子体边缘受控注入的额外粒子，会发生许多小的不稳定性——每秒数千次。该论文的第一作者GeorgHarrer说：“这些小粒子爆炸撞击反应堆壁的速度超过了它再次升温和冷却的速度。”“因此，这些个体的不稳定性对反应堆壁没有主要作用。”但是，正如该团队已经能够通过详细的模拟计算表明的那样，这些微小的不稳定性可以防止可能造成损害的大不稳定性。

“这有点像带盖的烹饪锅，水开始沸腾，”GeorgHarrer解释道。“如果压力不断增加，盖子会因为逸出的蒸汽而剧烈抬起并发出嘎嘎声。但如果稍微倾斜盖子，蒸汽就会不断逸出，盖子保持稳定，不会发出嘎嘎声。”这种聚变反应堆运行制度可以在各种反应堆中实施——不仅在加兴的ASDEX升级反应堆，而且在法国目前正在建设中的ITER，甚至在未来的DEMO聚变工厂。

所描述的研究是奥地利聚变研究计划Fusion@ÖAW的一部分，并在欧盟项目EUROfusion中进行。