美國(guó)能源部/普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室-核聚變是驅(qū)動(dòng)太陽(yáng)和恒星的能量，產(chǎn)生大量的能量。地球上的科學(xué)家們?cè)噲D復(fù)制這一過(guò)程，將光元素以由自由電子和原子核組成的熱帶電等離子體的形式融合在一起，創(chuàng)造出幾乎取之不盡、用之不竭的電力供應(yīng)，在所謂的“瓶中之星”中發(fā)電。

在努力捕捉地球上核聚變的力量的過(guò)程中，一個(gè)長(zhǎng)期的難題是如何減少或消除等離子體中常見(jiàn)的不穩(wěn)定性，這種不穩(wěn)定性被稱(chēng)為邊緣局域模(ELMs)。就像太陽(yáng)以太陽(yáng)耀斑的形式釋放出巨大的能量一樣，像榆樹(shù)一樣的耀斑也能猛烈撞擊容納聚變反應(yīng)的環(huán)形托卡馬克容器壁，有可能破壞反應(yīng)堆壁。

紋波控制新的脈沖

為了控制這些爆發(fā)，科學(xué)家們用一種叫做共振磁擾動(dòng)（RMPs）的微小磁波干擾等離子體，這種擾動(dòng)會(huì)扭曲等離子體的光滑圓環(huán)狀，釋放額外的壓力，從而減輕或阻止ELMs的發(fā)生。最困難的部分是產(chǎn)生正確數(shù)量的三維失真，以消除ELMs，同時(shí)又不引發(fā)其他不穩(wěn)定性，并且釋放出太多能量，在最壞的情況下，這些能量可能導(dǎo)致導(dǎo)致終止等離子體的重大中斷。

使任務(wù)異常困難的事實(shí)是，可以對(duì)等離子體施加幾乎無(wú)限數(shù)量的磁性失真，從而導(dǎo)致精確地找到正確類(lèi)型的失真是非常大的挑戰(zhàn)。但現(xiàn)在不會(huì)了。

美國(guó)能源部（DOE）普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的物理學(xué)家Jong-Kyu Park與來(lái)自美國(guó)和韓國(guó)的國(guó)家核聚變研究所（NFRI）合作，成功預(yù)測(cè)了整套有益的3D失真控制ELM而不會(huì)產(chǎn)生更多問(wèn)題。研究人員在位于韓國(guó)大田市的韓國(guó)超導(dǎo)托卡馬克先進(jìn)研究中心（KSTAR）的設(shè)備上驗(yàn)證了這些預(yù)測(cè)。KSTAR是世界上最先進(jìn)的超導(dǎo)托卡馬克裝置之一。

KSTAR是測(cè)試的理想選擇

KSTAR是測(cè)試預(yù)測(cè)的理想選擇，因?yàn)樗捎孟冗M(jìn)的磁鐵控制技術(shù)，可以在等離子體的近乎完美的圓環(huán)形對(duì)稱(chēng)性中產(chǎn)生精確的扭曲。如果沒(méi)有研究團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的預(yù)測(cè)模型，識(shí)別最有利的扭曲（其數(shù)量不到KSTAR內(nèi)可能產(chǎn)生的所有扭曲的1%）幾乎是不可能的。

其結(jié)果是開(kāi)創(chuàng)先例的成就?！拔覀兪状握故就锌R克的全3D場(chǎng)操作窗口，以抑制ELM而不會(huì)引起核心不穩(wěn)定或過(guò)度降低限制，”P(pán)ark說(shuō)。該論文由來(lái)自美國(guó)和韓國(guó)的14位合著者撰寫(xiě)，發(fā)表在《自然物理學(xué)》雜志上?！伴L(zhǎng)期以來(lái)，我們認(rèn)為要識(shí)別出所有有利的對(duì)稱(chēng)破缺場(chǎng)，在計(jì)算上太困難了，但我們現(xiàn)在的工作展示了一個(gè)簡(jiǎn)單的程序來(lái)識(shí)別所有這些構(gòu)型的集合。”

當(dāng)研究人員意識(shí)到等離子體可以扭曲的方式實(shí)際上遠(yuǎn)遠(yuǎn)少于可以應(yīng)用于等離子體的可能3D場(chǎng)的范圍時(shí)，他們降低了計(jì)算的復(fù)雜性。通過(guò)向后工作，從扭曲到3D場(chǎng)，作者計(jì)算了消除ELM的最有效領(lǐng)域。 KSTAR實(shí)驗(yàn)以非常準(zhǔn)確的方式證實(shí)了這些預(yù)測(cè)。

調(diào)查結(jié)果提供了新的信心

關(guān)于KSTAR的研究結(jié)果為ITER的最佳3D場(chǎng)預(yù)測(cè)能力提供了新的信心，ITER是法國(guó)正在建設(shè)的國(guó)際托卡馬克，該公司計(jì)劃使用特殊磁鐵產(chǎn)生3D畸變來(lái)控制ELMs。這種控制對(duì)ITER是至關(guān)重要的，ITER的目標(biāo)是產(chǎn)生比加熱等離子多10倍的能量。本文作者說(shuō)：“本研究采用的方法和原理可以極大地提高托卡馬克復(fù)雜三維優(yōu)化過(guò)程的效率和保真度?！?/p>

韓國(guó)在這一項(xiàng)目上的工作是由NFRI在韓國(guó)大田贊助的。NFRI是韓國(guó)領(lǐng)先的聚變能源研究機(jī)構(gòu)，致力于為聚變能源的實(shí)現(xiàn)奠定科學(xué)和工程基礎(chǔ)。NFRI在韓國(guó)科學(xué)和信息與通信技術(shù)產(chǎn)業(yè)部下運(yùn)作KSTAR。KSTAR是世界上領(lǐng)先的超導(dǎo)托卡馬克之一，它的目標(biāo)是利用高精度的磁力系統(tǒng)，以及3D磁場(chǎng)的生產(chǎn)、先進(jìn)的成像技術(shù)和其他對(duì)這項(xiàng)工作的成功至關(guān)重要的能力，實(shí)現(xiàn)高性能的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行。