聚變物理學(xué)家找到了繞過(guò)長(zhǎng)期存在的密度極限的方法

中國(guó)一處聚變反應(yīng)堆內(nèi)的實(shí)驗(yàn)展示了一種繞過(guò)內(nèi)部超熱等離子體密度上限的新方法。

在實(shí)驗(yàn)先進(jìn)超導(dǎo)托卡馬克（東），物理學(xué)家成功超越了所謂的格林沃爾德極限，這是一個(gè)實(shí)用的密度邊界，超過(guò)此邊界等離子體往往會(huì)劇烈不穩(wěn)定，常常損壞反應(yīng)堆組件。

很長(zhǎng)一段時(shí)間里，格林沃爾德極限被視為既定并被納入進(jìn)入聚變反應(yīng)堆工程領(lǐng)域.這項(xiàng)新研究表明，精確控制等離子體的生成方式及其與反應(yīng)堆壁的相互作用，可以將其推向物理學(xué)家所說(shuō)的“無(wú)密度”狀態(tài)。

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聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)用來(lái)復(fù)制高強(qiáng)度核聚變它發(fā)生在太陽(yáng)的核心，產(chǎn)生大量能量。有許多重要障礙需要克服——其中之一是等離子體密度。

其原理是，等離子體中原子越多，它們相互作用越多，聚變反應(yīng)也越多，從而增加能量輸出。在托卡馬克內(nèi)部的超高溫等離子體溫度下——托卡馬克是磁鐵襯里的環(huán)形“賽道”，等離子體被封閉并引導(dǎo)——能量輸出通常與等離子體密度成正比。

這正是格林沃爾德限制限制樂(lè)趣的地方。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，這并不是硬性物理定律，而是一種觀測(cè)到的現(xiàn)象，可以用數(shù)學(xué)來(lái)預(yù)測(cè)托卡馬克內(nèi)部等離子體密度能達(dá)到多遠(yuǎn)，才有可能失穩(wěn)并突然坍縮。

這是因?yàn)殡S著等離子體密度的增加，等離子體輻射的能量增加，在邊界處冷卻得更快，尤其是在反應(yīng)堆壁的原子進(jìn)入等離子體時(shí)。高能等離子體粒子將原子從壁面上擊落;一旦進(jìn)入等離子體，這些雜質(zhì)會(huì)加快能量的輻射速度，進(jìn)一步冷卻等離子體并促進(jìn)更多雜質(zhì)的釋放，形成反饋回路。

由此產(chǎn)生的冷卻會(huì)破壞保持等離子體的磁約束，使等離子體得以逃逸并迅速關(guān)閉。因此，物理學(xué)家通常在格林沃爾德極限以下運(yùn)行磁聚變反應(yīng)堆，除了實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)用來(lái)測(cè)試它。

然而，最近，一項(xiàng)理論研究提出等離子體壁相互作用中的自組織可能使托卡馬克能夠擺脫通常的格林沃爾德密度限制，轉(zhuǎn)而在作者所描述的獨(dú)立“無(wú)密度”區(qū)間工作。

由華中科技大學(xué)物理學(xué)家朱平和中國(guó)科學(xué)院的寧巖領(lǐng)導(dǎo)的團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)一步推進(jìn)這一理論，基于一個(gè)簡(jiǎn)單的前提：密度極限在反應(yīng)堆啟動(dòng)時(shí)會(huì)受到初始等離子體-壁面相互作用的強(qiáng)烈影響。

在他們的實(shí)驗(yàn)中，研究人員希望看看是否能有意引導(dǎo)這種相互作用的結(jié)果。他們?cè)谕锌R克啟動(dòng)時(shí)精確控制燃料氣體壓力，并加入了一種稱為電子回旋共振加熱的加熱爆發(fā)。

這些變化改變了等離子體通過(guò)更冷等離子體邊界與托卡馬克壁的相互作用，極大地減少了壁面雜質(zhì)進(jìn)入等離子體的程度。

在這種模式下，研究人員能夠達(dá)到比托卡馬克格林沃爾德極限高出約65%的密度。

這并不意味著磁約束的等離子體現(xiàn)在完全可以沒(méi)有任何密度限制地運(yùn)行。然而，它確實(shí)表明格林沃爾德極限并非根本障礙，調(diào)整運(yùn)營(yíng)流程可能帶來(lái)更高效的聚變反應(yīng)堆。

團(tuán)隊(duì)將進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)他們的發(fā)現(xiàn)，以觀察EAST在新描述的無(wú)密度區(qū)間的高性能條件下的運(yùn)行情況。

“研究結(jié)果表明，拓寬托卡馬克和下一代燃燒等離子體聚變裝置的密度極限，提供了實(shí)用且可擴(kuò)展的路徑。”朱說(shuō).

研究結(jié)果已發(fā)表于科學(xué)進(jìn)展.

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