等离子物理学家利用磁场缺陷增强聚变反应

普林斯顿等离子物理实验室（PPPL）的想法遵循日本的金継ぎ艺术，一位艺术家将一只打碎的碗片用金粉粘合在一起，使最终成品比原来更美丽。

图片来源：普林斯顿等离子物理实验室。点击新闻稿链接查看更大的图片和更多图片。

这一想法激发了对管理等离子体的新方法，这种超热物态可用作聚变能源的来源。科学家们正在使用磁场中的缺陷来改善等离子体，这种方法在《自然通讯》期刊的一篇新论文中进行了阐述。

PPPL等离子体物理学家Joseph Snipes是托卡马克实验科学部门的副负责人，也是论文的合著者之一，他表示："这种方法使您能够保持高性能的等离子体，同时控制核心和边缘的不稳定性。这种同时控制尤为重要且难以做到。这正是这项工作的特殊之处。"

PPPL物理学家杨成武领导了研究团队，该团队跨越美国和韩国的各种机构。杨成武表示，这是任何研究团队首次验证系统的方法来调整磁场缺陷，使等离子体适合作为能源来源。这些磁场缺陷被称为误差场。

"我们的新方法确定了最佳的误差场校正，增强了等离子体的稳定性，"杨成武说。"已经证实该方法能够提高不同等离子体条件下的稳定性，例如等离子体处于高磁约束和低磁约束条件下时。"

难以纠正的错误

误差场通常是由于装有等离子体的装置中磁线圈的微小缺陷引起的，这种装置称为托卡马克。

直到现在，误差场只被视为一种困扰，因为即使很小的误差场也可能导致等离子体失稳，从而中断聚变反应并可能损坏聚变器的壁。因此，聚变研究人员花费了大量时间和精力，精心寻找纠正误差场的方法。

"消除现有的误差场相当困难，因此我们可以在被称为误差场校正的过程中，不修复这些线圈不规则性，而是施加额外的磁场环绕聚变器，"杨成武说。

过去，这种方法也会损害等离子体的核心，使其不适合用于聚变能源发电。这一次，研究人员能够消除等离子体边缘的不稳定性并保持核心的稳定性。这项研究是普林斯顿等离子物理实验室研究人员如何弥合当今聚变技术和将来将需要将聚变能源引入电网所需技术之间差距的一个典型例子。

PPPL的研究人员兼论文合著者SangKyeun Kim解释说："这实际上是破坏系统对称性的非常有效的方法，因此人们可以有意地降低封闭性。这就像在气球里打一个非常小的洞，这样气球就不会爆炸。"正如气球上的小洞会泄漏气体一样，等离子体的微量泄漏出误差场，有助于维持其整体稳定性。

同时管理等离子体的核心和边缘

管理聚变反应最困难的部分之一是同时使等离子体的核心和边缘行为一致。在这两个区域都有等离子体的温度和密度的理想区域，并且在消除不稳定性的同时命中这些目标是困难的。

这项研究表明，调整误差场可以同时稳定等离子体的核心和边缘。通过精心控制托卡马克线圈产生的磁场，研究人员可以抑制边缘的不稳定性，也称为边缘局部模（ELM），而不会导致中断或大量的封闭性丧失。

PPPL的研究物理学家胡启明，论文的另一位作者指出："我们正在尝试保护这个装置。"

将研究扩展至KSTAR之外

这项研究是在韩国KSTAR托卡马克上进行的，该托卡马克以其能够高度灵活地调整其磁误差场配置而脱颖而出。这种能力对于尝试不同的误差场配置以找到最有效的稳定等离子体的方法至关重要。

研究人员表示，他们的方法对未来托卡马克聚变试点工厂的设计具有重要意义，可能使其更加高效和可靠。他们目前正在研究一个他们控制系统的人工智能版本，以使其更加高效。

"这些模型相当复杂；计算需要一些时间。但是当您想要在实时控制系统中执行操作时，您只能承受几毫秒的计算时间，"斯奈普斯说。"使用人工智能，您基本上可以教导系统预期的情况，并能够使用该人工智能提前预测控制等离子体所需的内容以及如何在实时中实施。"

虽然他们的新论文突出了使用KSTAR内部磁线圈进行的工作，但胡启明表示，将来与聚变容器外磁线圈的更多研究将是有价值的，因为聚变社区正在远离将这些线圈装入真空密封容器内的想法，由于这些组件可能会受到等离子体极端高温的损坏。

韩国核聚变能源研究院（KFE）、哥伦比亚大学和首尔大学的研究人员也对该项目至关重要。

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在众多设备尝试让等离子体保持足够长时间以进行聚变且保持稳定的过程中 -- 每一点获得的经验都是宝贵的。控制等离子体是一项非常困难的活动。变得足够擅长以启动聚变、维持运行并获得净能量将是一个对所有历史都值得关注的挑战。

文中Brian Westenhaus撰写，通过新能源和燃料

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