一位艺术家对微波中的聚变等离子体的隐喻描述，背景是一个烤面包机。来源:凯尔·帕尔默/ PPPL通信部门
一些专家认为，美国未来的核聚变可能是在紧凑的球形核聚变容器中找到的。一个更小的托卡马克被认为是一个潜在的更经济的核聚变能源解决方案。挑战在于将所有必要的组件安装到有限的空间中。最近的研究表明，去除一个用于加热等离子体的关键部件可以创造所需的额外空间。
美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)、托卡马克能源公司(Tokamak Energy)和日本九州大学的科学家们提出了一种紧凑的球形聚变试验装置的设计方案，该装置仅使用微波加热等离子体。通常，球形托卡马克还使用一个巨大的铜线线圈，称为螺线管，位于容器中心附近，加热等离子体。中性束流注入，即向等离子体注入不带电粒子束，也经常被使用。但是，就像一个小厨房如果有更少的电器就更容易设计一样，如果有更少的加热系统，制造一个紧凑型托卡马克就会更简单、更经济。
这种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，是托卡马克的标准加热。“一个紧凑的球形托卡马克等离子体看起来像一个有核的苹果，核相对较小，所以没有空间放置欧姆加热线圈，”PPPL的首席研究物理学家、详细介绍这项新研究的论文的第一作者小野雅之说。“如果我们不需要包括欧姆加热线圈，我们可能会设计出一种更容易、更便宜的机器。”
确定理想的光束角度和加热方式
微波是电磁辐射的一种形式，可以用一种被称为回旋管的设备产生。回旋加速器将安装在托卡马克的外部——打个比方，就在苹果皮的外面——对准核心。当回旋管向等离子体发射强大的波时，它们会通过移动被称为电子的带负电荷粒子产生电流。这个过程被称为电子回旋电流驱动(ECCD)，既驱动电流进入，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，比如旋转加速器的最佳瞄准角度，这样微波才能正确穿透等离子体。
使用名为TORAY的计算机代码和名为TRANSP的计算机代码，研究小组扫描了瞄准角度，并看到了效率最高的角度。目标是使用尽可能少的功率来驱动必要的电流。“此外，你必须尽量避免你投入等离子体的任何能量回来，”杰克伯克里说，他是该论文的合著者，也是国家球面环面实验升级(NSTX-U)的研究副主任。当微波被等离子体反射，或者微波进入等离子体后又离开而不改变等离子体的电流或温度时，就会发生这种情况。Berkery说:“为了找到最佳解决方案，我们对不同的参数进行了大量扫描。”
研究小组还确定了哪种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，和特殊模式，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模式是在提高后的最佳选择，当等离子体的温度和电流只需要维持时。
“O模式适用于高温高密度等离子体。但是我们发现O模式的效率在较低的温度下变得非常差，所以你需要其他的东西来照顾低温状态，”小野说。
有限公司考虑杂质的影响
包括博士后研究员Kajal Shah在内的作者也研究了能量如何从等离子体辐射出去。在商业核聚变所需的等离子体中，这种辐射可能很重要。路易斯·德尔加多-阿帕里西奥是该实验室高级项目部的负责人，也是这篇论文的合著者之一，他指出，将元素周期表中原子序数高的元素(也称为Z数)的杂质数量降至最低将是特别重要的。这些元素有许多带正电的粒子，也就是质子。一个元素的质子越多，它的Z数就越高，它的热损失也就越大。例如，钨和钼具有Z数，因此在紧凑的球形托卡马克中使用它们需要仔细考虑，并着眼于以减少杂质转移到等离子体中的方式运行反应堆。
虽然强磁场在很大程度上限制了托卡马克内部的等离子体以特定的形状，但有时等离子体可以接近托卡马克的内壁。德尔加多-阿帕里西奥说:“当这种情况发生时，壁上的原子会溅射出来，进入等离子体，使其冷却。”“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，尽可能地将杂质排除在等离子体之外是非常重要的，尤其是在温度还在上升的时候。
公私合作: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。该项目是一项战略倡议，旨在为一个试验性发电厂制定计划。Berkery说，该项目为PPPL的研究人员提供了一个机会，可以应用他们在物理、工程和核聚变模拟计算机代码方面的专业知识，同时与私营公司合作，制定采用球形托卡马克设计的核聚变发电厂计划。
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(Vladimir Shevchenko)表示，他计划明年年底在该公司的聚变反应堆ST40上进行实验，以与论文中的模拟结果进行比较。舍甫琴科说:“其他供暖系统有非常非常严重的问题。”“我认为这是托卡马克加热系统的未来。”
Shevchenko认为，该项目受益于PPPL和托卡马克能源公司之间的公私合作伙伴关系，托卡马克能源公司是美国能源部里程碑式核聚变发展计划的选定公司之一。“PPPL在等离子体物理和托卡马克技术相关的不同领域拥有许多经验丰富的专家。他们在建模和咨询方面的贡献对托卡马克能源这样的私营公司非常有价值。”
参考文献:“高效ECCD无感等离子体电流启动、升压和ST聚变反应堆的维持”，作者:M. Ono, J.W. Berkery, N. Bertelli, S. Shiraiwa, L. Delgado-Aparicio, J.E. Menard， á。Sánchez-Villar, K. Shah, V. Shevchenko, H. Idei和K. Hanada, 2024年6月19日，核聚变。1741 - 4326 . DOI: 10.1088 / / ad556f
该项目的其他PPPL研究人员包括Nicola Bertelli, Syun'ichi Shiraiwa, Jon Menard和álvaro Sánchez Villar。该研究由美国能源部资助完成，合同编号为DE-AC02-09CH11466。
