[2015年3月18日]来自美国通用原子技术公司(General Atomics)和美国能源部普林斯顿等离子实验室(PPPL)的科研人员在如何控制核聚变反应堆内具有潜在破坏性的热喷效应方面取得了重大突破。
科学家们在DIII-D国家聚变装置上进行了有关实验,该装置是General Atomics公司在美国San Diego运营的一座托克马克装置。
General Atomics公司说这些发现表明在未来的核聚变装置上,包括ITER(正在法国建设的一座国际性实验装置,用于证实核聚变能的可行性),控制热喷效应取得了关键性的突破。这项研究工作是由美国能源部科研局(Office of Science)支持开展的。
这些研究是建立在DIII-D装置上之前所做的开创性工作上的,这些工作表明聚变中的高强度热喷现象-简称为ELM-可以用微磁场(tiny magnetic fields)进行抑制。这些微磁场使得等离子体边缘平滑的释放热量,由此避免了具有破坏性的热喷效应。但是直到现在,科学家们依然不明白这些微磁场是如何运作从而达到这一效果的。
“关于等离子体是如何扭曲从而消除这些热喷效应的机理存在着很多的秘密”Carlos Paz-Soldan教授曾这样说到,这是General Atomics公司的一名科学家,同时也是上周《物理评论快报(Physical Review Letters)》上接连报道这些重大发现的两篇论文中第一篇论文的第一作者。
DIII-D等离子体对微磁场响应截面的计算机模拟结果。
左图中模拟的响应抑制了ELM,而右图中的响应是无效的(图像来源:General Atomics)
研究人员发现在上述装置上施加的微磁场可以建立两种不同的响应,而不是之前所认为的只有一种响应。 新的那种响应在靠近等离子体边缘的磁场中生成一种褶皱,该褶皱刚好可以以适当的速率让更多的热量泄露出去,从而避免高强度的热喷现象。 研究人员是通过在围绕等离子体的线圈内接通电流的方式来施加磁场。取走线圈然后检测等离子体的反应,非常类似吉他上的麦克风提取琴弦的振动。
PPPL实验室的科学家Raffi Nazikian教授领导PPPL在DIII-D的研究团队还取得了第二项成果,该成果发现了等离子体中的变化,而这些变化正好导致大边缘热喷现象即ELM受到了抑制。
General Atomics公司称:“研究团队找到了明显的证据证实等离子体发生了变形,且这种变形刚好可以让热量缓慢的释放出去”。
测量到的等离子体边缘磁场形变显示磁场在一个窄层内有轻柔地撕裂,这是热喷如何能被抑制的关键点。
当等离子体以某种方式轻轻敲击的时候,结构形态就突然发生了变化,Nazikian教授说道,正是这种响应抑制了ELM效应。
该项目的研究人员主要来自General Atomics, PPPL, Oak Ridge National Laboratory, Columbia University, Australian National University, the University of California-San Diego, the University of Wisconsin-Madison等企业和科研院所。
这些新的发现提供了进一步调节磁场使得ELM控制起来更容易的可能性,General Atomics公司还这样说到。
“这些发现指出了克服长期以来困扰持续核聚变反应障碍的出路”。
DIII-D项目经理Mickey Wade先生说到:当在2D托克马克装置场上施加一个小型3D磁场的时候,我们发现了抑制ELM过程的物理机理,这也给了我们新的信心,就是这项技术可以应用于ITER和未来的核聚变装置,用于消除ELM效应。