加热聚变既然可以用微波炉加热等离子体为何还要用烤箱加热

一些人认为，美国核聚变的未来在于紧凑型球形聚变容器。人们认为，较小的托卡马克可以提供更经济的核聚变选择。诀窍是将所有东西都挤进一个狭小的空间。新研究表明，消除用于加热等离子体的一个主要部件，从而释放出急需的空间。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)、私营公司托卡马克能源和日本九州大学的科学家提出了一种紧凑型球形聚变试验工厂的设计，该工厂仅使用微波加热等离子体。

通常，球形托卡马克还使用位于容器中心附近的巨大铜线线圈(称为螺线管)来加热等离子体。中性束注入(涉及将不带电粒子束施加到等离子体)也经常使用。但就像一个小厨房，如果电器较少，设计起来就更容易，如果加热系统较少，制造一个紧凑型托卡马克会更简单、更经济。

新方法消除了欧姆加热，这种加热与烤面包机中的加热相同，也是托卡马克的标准加热方式。

“紧凑的球形托卡马克等离子体看起来就像一个有核的苹果，但核相对较小，因此没有空间安装欧姆加热线圈，”PPPL首席研究物理学家、详细介绍这项新研究的论文的主要作者小野正之(MasayukiOno)表示。“如果我们不必安装欧姆加热线圈，我们或许可以设计出一种更容易制造、更便宜的机器。”

该论文发表在《核聚变》杂志上。

确定理想的光束角度和加热模式

微波是一种电磁辐射，可以使用一种名为回旋管的设备产生。回旋管位于托卡马克的外部(打个比方，就在苹果皮外面)，朝向核心。当回旋管向等离子体发射强大的波时，它们会通过移动带负电的粒子(即电子)产生电流。

这一过程被称为电子回旋电流驱动(ECCD)，它既驱动电流，又加热等离子体。然而，加热过程并不像打开一些回旋管那么简单。研究人员需要模拟不同的场景并确定各种细节，例如瞄准回旋管的最佳角度，以便微波能够正确穿透等离子体。

研究团队使用名为TORAY的计算机代码和名为TRANSP的计算机代码扫描瞄准角度，并找出效率最高的角度。目标是使用尽可能少的功率来驱动必要的电流。

“此外，你必须尽量避免你输入等离子体的任何能量被反射回来，”论文合著者、国家球形环实验升级(NSTX-U)研究副主任杰克·伯克利(JackBerkery)说道。当微波从等离子体反射回来，或者当它们进入等离子体但离开时没有改变等离子体的电流或温度时，就会发生这种情况。

“我们对不同的参数进行了大量扫描，以找到最佳解决方案，”Berkery说。

研究团队还确定了哪种ECCD模式最适合加热过程的每个阶段。有两种模式：普通模式(称为O模式)和非常模式(称为X模式)。研究人员认为X模式最适合提高等离子体的温度和电流，而O模式则是升温后的最佳选择，此时等离子体的温度和电流只需保持即可。

“O模式适用于高温、度等离子体。但我们发现，O模式效率在较低温度下会变得非常差，因此你需要其他东西来处理低温状态，”小野说。

考虑杂质的影响

包括博士后研究员KajalShah在内的作者还研究了能量如何从等离子体中辐射出去。这种辐射对于商业核聚变所需的等离子体来说可能非常重要。实验室高级项目部负责人、论文合著者LuisDelgado-Aparicio指出，将元素周期表中原子序数较高的元素(也称为Z序)的杂质数量降至最低尤为重要。这些元素含有许多带正电的粒子，即质子。

元素的质子数越多，其Z数就越高，对热量损失的贡献就越大。例如，钨和钼就有Z数，因此在紧凑型球形托卡马克中使用它们时需要仔细考虑，以减少杂质进入等离子体的方式运行反应堆。

虽然强磁场在很大程度上将托卡马克内的等离子体限制在特定形状，但有时等离子体会接近托卡马克的内壁。“当这种情况发生时，来自壁的原子会溅射并进入等离子体，使其冷却，”德尔加多-阿帕里西奥说。“即使是相对少量的高Z数元素也会导致等离子体的温度显著下降。”

因此，尽可能地防止杂质进入等离子体尤为重要，特别是在温度仍在上升时。

公私合作伙伴关系：融合的未来

加热模拟是球形托卡马克先进反应堆(STAR)设计项目的一部分。该项目是一项制定试点发电厂计划的战略举措。伯克利表示，该项目为PPPL研究人员提供了一个机会，让他们可以运用他们在物理学、工程学和使用计算机代码进行聚变模拟方面的专业知识，同时与私营公司合作，制定采用球形托卡马克设计的聚变发电厂计划。

论文合著者、托卡马克能源公司高级技术顾问弗拉基米尔·舍甫琴科表示，他计划于明年年底在该公司的聚变容器ST40中进行实验，以与论文中提出的模拟结果进行比较。

“其他加热系统存在非常非常严重的问题，”舍甫琴科说。“我认为这就是托卡马克加热系统的未来。”

舍甫琴科认为，该项目受益于PPPL与托卡马克能源(TokamakEnergy)之间的公私合作关系，托卡马克能源是被美国能源部里程碑式聚变开发计划选中的公司之一。

“PPPL拥有许多与等离子体物理和托卡马克技术相关的不同领域的经验丰富的专家。他们在建模和咨询方面的贡献对于像托卡马克能源这样的私营公司来说非常有价值，”他说。