聚變等離子體中的照明磁湍流

托卡馬克使用強(qiáng)大的磁場(chǎng)來(lái)限制1 億度的等離子體并產(chǎn)生聚變反應(yīng)。由這些等離子體中固有的湍流引起的磁場(chǎng)波動(dòng)被認(rèn)為通過(guò)導(dǎo)致粒子和熱量從等離子體損失到反應(yīng)堆壁來(lái)減少聚變能的產(chǎn)生。這些損失會(huì)降低反應(yīng)堆的性能，因此了解和控制磁波動(dòng)對(duì)于未來(lái)的聚變反應(yīng)堆很重要。然而，在小范圍內(nèi)準(zhǔn)確測(cè)量等離子體中的磁湍流一直是一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。到目前為止，研究人員使用位于等離子體外部的磁探針測(cè)量離開(kāi)等離子體區(qū)域的波。這項(xiàng)新研究開(kāi)發(fā)了一種新型光探針，它使用通過(guò)等離子體傳輸時(shí)會(huì)發(fā)生變化的偏振特性。該探測(cè)器詳細(xì)揭示了小規(guī)模磁湍流的存在。

影響

聚變科學(xué)家需要更好地了解物理學(xué)來(lái)設(shè)計(jì)未來(lái)的聚變反應(yīng)堆。通過(guò)測(cè)量高溫等離子體內(nèi)部的磁波動(dòng)，科學(xué)家可以驗(yàn)證他們用來(lái)設(shè)計(jì)反應(yīng)堆并預(yù)測(cè)其性能的基于物理的模型。這項(xiàng)工作首次展示了光探針作為內(nèi)部檢測(cè)聚變等離子體中磁波動(dòng)的一種方式。實(shí)驗(yàn)觀察已確定波動(dòng)源于理論上預(yù)測(cè)的微撕裂模式 (MTM) 不穩(wěn)定性，這是一種小規(guī)模的磁場(chǎng)擾動(dòng)，可以改變等離子體中的熱量和粒子的流動(dòng)，導(dǎo)致能量損失增加。

概括

幾十年來(lái)，等離子體研究人員的目標(biāo)是局部測(cè)量托科馬克內(nèi)部等離子體中的磁湍流。DIII-D國(guó)家聚變?cè)O(shè)施的科學(xué)家已經(jīng)展示了實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)的新技術(shù)，并首次提供了理論上預(yù)測(cè)的 MTM 不穩(wěn)定性的詳細(xì)測(cè)量值。波動(dòng)或湍流的小規(guī)模磁場(chǎng)可以與其他波動(dòng)場(chǎng)相互作用，例如溫度或密度。這會(huì)導(dǎo)致增強(qiáng)的顆粒和熱量損失，從而對(duì)融合性能產(chǎn)生不利影響。然而，這些相同的波動(dòng)也會(huì)改變通過(guò)它們的光波的特性。這使得光波成為直接觀察和測(cè)量磁湍流而不干擾等離子體的有用工具。這種方法使科學(xué)家能夠直接探測(cè)溫度可達(dá) 1 億攝氏度的等離子體，并檢測(cè)磁場(chǎng)中非常小的變化。科學(xué)家們正在使用這些結(jié)果來(lái)驗(yàn)證正在開(kāi)發(fā)的基于物理的模擬，以更好地了解托卡馬克限制。這項(xiàng)工作還將有助于指導(dǎo)研究人員改進(jìn)支持聚變能發(fā)展的反應(yīng)堆設(shè)計(jì)。

資金

這項(xiàng)研究得到了能源部 (DOE) 科學(xué)辦公室、聚變能源科學(xué)辦公室的支持。它使用了 DIII-D 國(guó)家聚變?cè)O(shè)施，這是美國(guó)能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。

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