流中的岛屿 Plasma中共振磁扰动的艺术表现。 棕榈树不按比例。 （由凯尔·帕尔默/PPPL 传播部提供）
通过结合两种不同的Plasma稳定方法，美国和德国的物理学家开发了一种抑制托卡马克聚变反应堆不稳定性的新技术。 该团队由普林斯顿Plasma物理实验室的胡启明领导，希望其计算机建模结果能够成为使核聚变成为可行能源的重要一步。
托卡马克聚变反应堆利用强磁场将氢Plasma限制在其环形内部并对其进行加热。 在适当的高温下，氢Atom核将获得足够的能量来克服相互排斥并聚变在一起形成氦Atom核，并在此过程中释放能量。
如果反应中释放的能量多于输入托卡马克的能量，它将提供丰富的清洁能源。 自 20 世纪 30 年代在实验室首次实现核聚变以来，这一直是研究人员的目标。
顽固的路障
实现持续聚变的最顽固障碍之一是周期性Plasma不稳定性的出现，称为边缘局域模式（ELM）。 这些起源于Plasma的外部区域，导致能量泄漏到托卡马克的壁中。 如果不加以控制，这将导致聚变反应失败，甚至会损坏托卡马克。
抑制 ELM 最有前途的方法之一是使用共振磁扰动 (RMP)。 这些是限制磁场中的受控瑞波，可在Plasma内部形成闭合的磁场环。
这些环路被称为磁岛，但并不总是能产生理想的影响。 如果它们太大，就有进一步破坏Plasma稳定性的风险。 但通过仔细设计 RMP 来生成大小合适的岛，应该可以重新分配Plasma内部的压力，从而抑制 ELM 的生长。
在他们的研究中，胡的团队在这个过程中引入了一个额外的步骤，这将使他们能够更好地控制 RMP 的参数，以生成大小合适的磁岛。
螺旋电子
这涉及到以一种称为边缘局域电子回旋电流驱动（ECCD）的方法向Plasma注入高频微波。 在Plasma内部，这些波导致高能电子沿着限制磁场线的方向螺旋运动，产生与磁力线平行的局部电流。
在之前的实验中，ECD 微波通常被注入Plasma的核心。 但在他们的模拟中，胡和同事却将他们引向了边缘。
“通常，人们认为在Plasma边缘应用局部 ECCD 是有风险的，因为微波可能会损坏容器内的组件，”Hu 解释道。 “我们已经证明这是可行的，并且我们已经证明了该方法的灵活性。”
严格控制
在模拟托卡马克反应堆中，研究小组发现他们的新方法可以降低产生 RMP 所需的电流量，同时还可以严格控制在Plasma中形成的磁岛的大小。
“我们的模拟加深了我们对游戏中互动的理解，”胡继续说道。 “当 ECCD 以与Plasma中电流相同的方向添加时，岛的宽度减小，基座压力增加。”
基座压力是指靠近Plasma边缘的区域，在该区域压力达到峰值，然后急剧下跌到Plasma边界。 “在相反方向应用 ECCD 会产生相反的结果，岛宽度增加，基座压力下跌或促进岛打开，”胡解释道。
这些模拟结果可以为运行托卡马克装置的物理学家提供重要指导，包括 ITER 实验，该实验将于 2025 年末开始运行。如果可以在真实Plasma中复制相同的结果，则可以使人们期待已久的持续核聚变目标更近一步。
这项研究在《核聚变》中有描述。
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