麦迪逊对称环面以格林沃尔德极限 10 倍的速率运行稳定等离子体

如果要实现净正聚变能量，密度是关键：原子核碰撞越多，反应效率就越高。近 40 年前，马丁·格林沃尔德 (Martin Greenwald) 确定了一个密度极限，超过这个极限托卡马克等离子体就会变得不稳定，而所谓的格林沃尔德极限在随后的几十年里最多也只能超过两倍。

在7 月 29 日发表在《物理评论快报》上的一项研究中，威斯康星大学麦迪逊分校的物理学家制造出了稳定温度为格林沃尔德极限 10 倍的托卡马克等离子体。

这一发现可能对托卡马克聚变反应堆产生影响，但研究人员警告说，他们的等离子体无法与聚变反应堆中的等离子体直接比较。

威斯康星等离子体物理实验室 (WiPPL) 的科学家兼这项研究的主要作者诺亚赫斯特 (Noah Hurst) 说：“托卡马克装置被认为是建造以与太阳相同的方式产生能量的核聚变反应堆的竞赛中的领先竞争者。”

“我们发现这种远高于格林沃尔德极限的运行能力，对于提高聚变发电量和防止机器损坏具有重要意义。”

托卡马克是一种环形装置，本质上是一种空心金属甜甜圈，通过施加磁场和电流在管道中搅动电离等离子体。

这种形状已被证明特别适合约束等离子体，而等离子体需要达到聚变所需的高温和密度。但这种设计也会导致等离子体不稳定：随着密度增加，等离子体变得更加湍流，导致等离子体将其所有能量都释放到壁面并冷却下来。

WiPPL 团队在这项新研究中使用的设备是麦迪逊对称环面 (MST)。多年来，MST 一直是研究反向场箍缩(一种与托卡马克密切相关的环形结构)的领先项目之一。

MST 的设计旨在作为托卡马克装置运行，可直接比较同一装置中的两种环形配置。与其他托卡马克装置不同，容纳 MST 等离子体的金属环形装置很厚且导电性高，可实现更稳定的运行。

2018 年，MST 科学家获得资金，用于开发可编程电源，从而更轻松地实现从托卡马克到反向场箍缩等一系列环形等离子体配置。赫斯特于 2019 年受聘使用新电源研究托卡马克模式下的 MST 等离子体。

“我的工作是设法让等离子体变得不稳定，”赫斯特说。“我试过了，但我发现，在很多情况下，等离子体并不稳定。这很令人惊讶。”

赫斯特和同事们研究了等离子体密度，试图通过喷入越来越多的气体来破坏等离子体的稳定性。他们设置电源以提供所需的任何电压，以保持每个等离子体中稳定的 50,000 安培电流(随着等离子体密度的增加，它的电阻会变得更大，需要更高的电压来保持电流稳定)。

他们用干涉仪沿 11 条不同的视线观察等离子体，测量了所达到的等离子体密度。

格林沃尔德极限就是等离子体密度与等离子体电流和等离子体尺寸乘积的比值，这是一个简单的度量标准，可用于比较不同的设备和操作条件。自定义该极限以来，只有少数设备能够超过该极限运行，最多也只能超过两倍。

“在这里，我们达到了 10 倍，”赫斯特说。“未来的反应堆规模托卡马克可能需要在格林沃尔德极限附近或之上运行，因此如果我们能够更好地了解造成密度极限的原因，并了解我们如何达到 10 倍极限的物理原理，那么也许我们有机会对此采取一些措施。”

尽管研究人员对结果充满信心，但结果却出乎意料。该团队正在积极探索解释。

“我们首先要问的是，我们的机器与其他机器相比有什么不同?”赫斯特说。“MST 非常不同，因为它的壁比大多数托卡马克更厚。此外，大多数托卡马克产生的等离子体电阻较低，因此它们不需要像我们一样需要这么大的电压才能运行。”

赫斯特还强调，这些结果不太可能直接适用于聚变反应堆，例如 ITER 和其他正在建造的、希望成为首个净正能量生产托卡马克的反应堆。但他和团队都持谨慎乐观的态度。

“我们的研究结果是在低磁场、低温等离子体下获得的，这种等离子体无法产生聚变能。尽管如此，我们仍然是第一个能够做到这一点的人，你必须从某个地方开始，”赫斯特说。

“我们将继续研究这些等离子体，我们认为，我们所学到的知识可能有助于更高性能的聚变装置在成功运行所需的更高密度下运行。”

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