用氫氖混合冰顆粒冷卻1億度等離子體

高大的電磁鐵——中央螺線管是ITER托卡馬克的核心。它既能啟動等離子體電流，又能驅動和塑造等離子體。圖片來源：ITER

在世界上最大的實驗性聚變反應堆——正在法國建設國際熱核聚變實驗堆（ITER），“中斷”，即突然終止高溫等離子體的磁約束，是一個懸而未決的重大問題。作為應對之策，中斷緩解技術，即當檢測到等離子體不穩定的跡象時可以強制冷卻等離子體的技術，是世界范圍內一個密集研究的課題。

現在，來自日本國立量子科學技術研究院（QST）和日本國家自然科學研究所（NINS）國立聚變科學研究所（NIFS）的一組研究人員發現，通過向氫冰顆粒中添加約5%的氖，可以使等離子體在其表面以下更深入地冷卻，比注入純氫冰顆粒更有效。

利用NIFS擁有的大型螺旋設備的先進診斷的理論模型和實驗測量，研究人員闡明了在冰顆粒周圍形成的密集等離子體的動力學，確定了成功增強強制冷卻系統性能的物理機制，這對于在ITER上進行實驗是不可或缺的。研究結果有助于建立未來核聚變反應堆的等離子體控制技術。相關研究1月6日發表于《物理評論快報》。

ITER的實驗需要讓氫同位素等離子體保持在1億度以上的“燃燒狀態”來產生500兆瓦的聚變能。實驗的一個主要障礙是“中斷”現象——用于限制等離子體的磁場結構由于磁流體力學的不穩定性而崩潰。中斷會導致高溫等離子體流入容器的內表面，導致結構損壞，進而可能導致實驗進度的延遲和更高的成本。盡管ITER的設備和操作條件經過精心設計，以避免中斷，但不確定性仍然存在，許多實驗需要專用的設備保護策略作為保障。

一個潛在的解決方案是采用“中斷減緩”技術，該技術在檢測到可能導致中斷的第一個不穩定跡象時會強制冷卻等離子體，從而防止對面向等離子體的材料組件的損壞。

作為一個基本策略，研究人員正在開發一種方法，使用在低于10開爾文的溫度下凍結的氫冰粒團，將其注入高溫等離子體中。注入的冰受到周圍高溫等離子體的加熱，從表面融化，蒸發電離，在冰周圍形成一層低溫高密度等離子體（以下簡稱“等離子體粒團”）。這種低溫高密度等離子體與主等離子體混合，主等離子體的溫度在此過程中降低。

但在最近的實驗中，科學家發現，在使用純氫冰顆粒時，等離子體粒團在與目標等離子體混合之前就被噴射出去了，使其無法將高溫等離子體冷卻到地表以下更深的地方。

這種噴射是由于等離子體粒團的高壓所致。定性地說，被限制在甜甜圈形的磁場中的等離子體傾向于按壓力的比例向外膨脹。而等離子體粒團是由氫冰的融化和電離形成的，溫度很低，但密度很高。由于溫度平衡比密度平衡快得多，等離子體粒團的壓力會上升到高于熱目標等離子體的壓力。其結果是，等離子體粒團變得極化并在磁場中進行漂移運動，使它在能夠完全與目標熱等離子體混合之前向外傳播。

科學家通過理論分析提出了對這一問題的解決方案：模型計算預測通過將少量氖混合到氫中，等離子體粒團的壓力可以降低。氖在約20開爾文的溫度下結冰，并在等離子體中產生強烈的線輻射。如果在注入前將氖與氫冰混合，可以將部分熱能以光子能量的形式散射出去。

為了證明使用氫氖混合物的效果，科學家在位于日本的大型螺旋裝置（LHD）中進行了一系列實驗。多年來，LHD一直在高可靠性地運行一個名為“固體氫丸注入器”的設備，該設備可以以1100米/秒的速度注入直徑約3毫米的冰丸。該系統的高可靠性保障了科學家以毫秒級時間精度向等離子體中注入氫冰，并在注入的冰融化后測量等離子體的溫度和密度。

最近，使用新型激光技術的LHD系統實現了湯姆遜散射（TS）20 kHz的世界最高時間分辨率。利用這一系統，研究小組捕捉到了等離子體粒團的進化過程。他們發現，正如理論計算所預測的那樣，當氫冰摻雜約5%的氖時，等離子體粒團拋射被抑制，與注入純氫冰的情況形成鮮明對比。實驗還證實氖在等離子體的有效冷卻中起著有益的作用。

研究首次表明，向高溫等離子體中注入摻有少量氖的氫冰顆粒，可通過抑制等離子體類拋射有效冷卻等離子體的深核區域。研究者表示，氖摻雜效應不僅是一種有趣的新實驗現象，還支持了ITER中斷減緩基線策略的發展。ITER中斷緩解系統的設計評審計劃于2023年進行，目前的結果將有助于提高系統的性能。純氫和氫氖混合物的等離子體粒團行為。在實驗中，以史無前例的20千赫速度運行的湯姆遜散射診斷系統被用于在等離子體穿過觀測區域時測量其密度，并確定其位置，這驗證了理論預測。