核聚变研究的一个主要问题的新解决方案

诸平

Fig. 1 Left: Cross section of the separatrix of the high (solid) and low (dashed) lHFS→LFS time points. lHFS→LFS is the length of a field line spanning from the LFS to the HFS midplane. A poloidal projection of lHFS→LFS is depicted with the red arrow. Right: Temporal evolution of lHFS→LFS and the safety factor at 95% flux throughout the three discharges. Credit: Physical Review Letters (2022). DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.165001

据德国马普学会（Max Planck Society）2022年10月11日报道，德国马普学会马克斯·普朗克等离子体物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics简称IPP)和维也纳理工大学(Vienna University of Technology简称TU Wien)的研究人员合作，针对I型边缘局域模（edge localized mode简称ELM）等离子体（Type-I ELM plasma）不稳定性会使聚变装置的壁熔化的问题，找到了对其控制的方法（A new solution to one of the major problems of fusion research）。相关研究结果于2022年10月10日已经在《物理评论快报》（Physical Review Letters）杂志网站发表——Georg Friedrich Harrer, M. Faitsch, L. Radovanovic, E. Wolfrum, C. Albert, A. Cathey, M. Cavedon, M. Dunne, T. Eich, R. Fischer, M. Hoelzl, B. Labit, Hendrik Meyer, Friedrich Aumayr, the ASDEX Upgrade Team, the EUROfusion MST1 Team. A quasi-continuous exhaust scenario for a fusion reactor: the renaissance of small edge localized modes. Physical Review Letters, 2022, 129: 165001. DOI: 10.1103/PhysRevLett.129.165001. Published 10 October 2022. https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.129.165001. 在此之前的2021年10月25日已经在预印本文库网站公布[Submitted on 25 Oct 2021, arXiv:2110.12664. https://doi.org/10.48550/arXiv.2110.12664]。

核聚变发电厂有有朝一日可能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研究这种模仿太阳过程的发电方法。要使这一原理在地球上发挥作用，等离子体必须在反应堆中加热到至少1亿摄氏度（10⁸ ℃）。磁场包围等离子体，使反应堆壁不会熔化。这仅仅是因为在磁形成的等离子体边缘的最外面的几厘米是极好的绝热层。然而，在这个区域，等离子体不稳定，即所谓的边缘局域模(edge localized modes简称ELMs)，经常发生。在这种情况下，来自等离子体的高能粒子可能会击中反应堆的壁，有可能损坏反应堆。

来自德国加兴（Garching）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:有一种核聚变反应堆的运行模式可以避免这个问题。人们有意地接受了许多对反应堆壁不构成问题的小不稳定性，而不是可能具有破坏性的大不稳定性。

德国加兴IPP的研究小组负责人、维也纳理工大学教授伊丽莎白·沃尔夫鲁姆（Elisabeth Wolfrum）说：“我们的工作代表着在理解大型I型ELMs的发生和预防方面的一个突破。我们提出的操作方案可能是未来聚变发电厂等离子体最有前途的方案。”详见已经发表在《物理评论快报》杂志网站的研究成果报告。

被忽视操作方式的复兴（The renaissance of a disregarded mode of operation）

在环形托卡马克聚变反应堆（toroidal tokamak fusion reactor）中，超热等离子体粒子以高速运动。强大的磁性线圈可以确保粒子保持封闭状态，而不是以破坏性的力量撞击反应堆壁。奥地利维也纳理工大学应用物理研究所（Institute of Applied Physics of TU Wien in Vienna, Austria）的离子及等离子体物理学教授 弗里德里希·奥迈尔（Friedrich Aumayr）解释道：“然而，你也不想把等离子体完全从反应堆壁中分离出来;毕竟，必须添加新的燃料，聚变过程中产生的氦必须被移除。”

反应堆内部的动力学细节非常复杂:粒子的运动取决于等离子体密度、温度和磁场（magnetic field）。取决于如何选择这些参数，不同的操作机制是可能的。维也纳工业大学的弗里德里希·奥迈尔团队和德国加兴IPP团队在伊丽莎白·沃尔夫鲁姆教授的协调下进行了长期合作，现在形成了一种可以防止被称为I型ELM的破坏性特别大的等离子体不稳定性的操作机制。

早在几年前，实验就展示了对抗危险的I型ELM的方法:等离子体在磁线圈的作用下轻微变形，使其等离子体截面不再是椭圆形，而是像一个圆形三角形。同时，等离子体的密度增加，特别是在边缘处。

目前正在维也纳理工大学攻读博士学位的利蒂贾·拉多瓦诺维奇（Lidija Radovanovic），她的博士论文写的就是关于这个主题。她解释说：“起初，人们认为这种情况只会发生在目前运行的小型机器上，如加兴IPP的轴向对称偏滤器实验（Axially Symmetric Divertor EXperiment简称ASDEX Upgrade），而与反应堆无关。然而，通过新的实验和模拟，我们现在已经能够表明:即使在反应堆可预见的参数范围内，该体系也可以防止危险的不稳定。”

仿佛是一个带盖子的锅（Like a pot with a lid）

由于等离子体的三角形形状和在等离子体边缘可控制的额外粒子注入，许多小的不稳定性每秒发生数千次。

上述论文的第一作者格奥尔格·哈勒（Georg Friedrich Harrer）说:“这些小粒子爆炸撞击反应堆壁的速度比它再次加热和冷却的速度要快。因此，这些单独的不稳定性对反应堆壁不是主要影响因素。”但正如该团队通过详细的模拟计算所显示的那样，这些小不稳定性防止了可能导致破坏的大不稳定性。

格奥尔格·哈勒解释道：“这有点像一个带盖子的烹饪锅，水开始沸腾。如果压力持续增加，盖子就会因为逸出的蒸汽而掀开并发出严重的嘎嘎声。但如果你稍微倾斜盖子，蒸汽就会不断地逸出，盖子就会保持稳定，不会嘎嘎作响。”这种核聚变反应堆运行机制不仅可以在德国加兴的ASDEX Upgrade反应堆中实现，还可以在法国正在建设的国际热核聚变实验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor简称ITER)中实现，甚至可以在未来的示范性核聚变工厂(The demonstration power plant: DEMO)中实现。

Fig. 2 The path from ITER to DEMO and finally to a commercial power plant

此研究是奥地利聚变研究项目Fusion@ÖAW的一部分以及在欧盟项目EUROfusion中进行。

上述介绍，仅供参考。欲了解更多信息，敬请注意浏览原文或者相关报道。

Fusion simulation code developed to project fusion instabilities in TAE

Abstract

Tokamak operational regimes with small edge localized modes (ELMs) could be a solution to the problem of large transient heat loads in fusion reactors. A ballooning mode near the last closed flux surface governed by the pressure gradient and the magnetic shear there has been proposed for small ELMs. In this Letter, we experimentally investigate several stabilizing effects near the last closed flux surface and present linear ideal simulations that indeed develop ballooninglike fluctuations there and connect them with nonlinear resistive simulations. The dimensionless parameters of the small ELM regime in the region of interest are very similar to those in a reactor, making this regime the ideal exhaust scenario for a future device.