氢氖混合冰粒成功冷却1亿摄氏度等离子体

本文转自：中国科学报

正在法国建设的国际热核聚变实验堆，是全球最大的实验性聚变反应堆。图片来源：ITER

本报讯 日本国立量子科学技术研究院和国家自然科学研究所国立聚变科学研究所（NIFS）的研究人员发现，通过向氢冰颗粒中添加约5%的氖，可使等离子体在其表面下更深入冷却，比注入纯氢冰颗粒更有效。

通过利用NIFS大型螺旋设备诊断的理论模型和实验测量，研究者阐明了在冰颗粒周围形成密集等离子体的动力学，明确了成功增强强制冷却系统性能的物理机制，这对于在国际热核聚变实验堆（ITER）上进行实验不可或缺。研究结果有助于发展未来核聚变反应堆的等离子体控制技术。相关研究近日发表于《物理评论快报》。

ITER的实验需要让氢同位素等离子体保持在1亿摄氏度以上的“燃烧状态”以产生500兆瓦的聚变能。实验的一个主要障碍是“中断”现象——用于限制等离子体的磁场结构由于磁流体力学的不稳定性而崩溃。中断会导致高温等离子体流入容器的内表面损坏设备，进而导致实验进度的延迟和更高的成本付出。为了避免中断，ITER的设备和操作条件经过精心设计，但不确定性仍然存在，许多实验需要专用的设备保护策略作为保障。

一个潜在的解决方案是采用“中断减缓”技术，该技术会在检测到可能导致中断的第一个不稳定迹象时强制冷却等离子体，从而防止等离子体的材料组件的损坏。

作为一个基本策略，研究人员正在开发一种方法，将在低于10开尔文温度下冻结的氢冰粒团，注入高温等离子体中。注入的冰受到周围高温等离子体的加热，从表面开始融化、蒸发、电离，在冰周围形成一层低温高密度等离子体（以下简称等离子体粒团）。这种等离子体粒团与主等离子体混合，使主等离子体的温度在此过程中降低。

但在最近的实验中，科学家发现，在使用纯氢冰颗粒时，等离子体粒团在与目标等离子体混合之前就被喷射出去，无法将高温等离子体冷却到表面以下更深的地方。

这种喷射是由于等离子体粒团的高压所致，即被约束在“甜甜圈”形的磁场中的等离子体倾向于按压力的比例向外膨胀。而等离子体粒团是由氢冰的融化和电离形成的，其温度很低、密度很高。由于温度平衡比密度平衡快得多，等离子体粒团的压力会上升到高于热目标等离子体的压力。其结果是，等离子体粒团变得极化并在磁场中进行漂移运动，使它在能够完全与目标热等离子体混合之前向外传播。

科学家通过理论分析提出了对这一问题的解决方案：模型计算预测，通过将少量氖混合到氢中，等离子体粒团的压力可以降低。氖在约20开尔文温度下结冰，并在等离子体中产生强烈的线辐射。如果在注入前将氖与氢冰混合，可以将部分热能以光子能量的形式散射出去。

为了验证使用氢氖混合物的效果，科学家在位于日本的大型螺旋装置（LHD）上进行了一系列实验。多年来，LHD一直在可靠地运行着一个名为“固体氢丸注入器”的设备，该设备可以1100米/秒的速度注入直径约3毫米的冰丸。这保障了科学家以毫秒级时间精度向等离子体中注入氢冰，并在冰融化后测量等离子体的温度和密度。

最近，使用新型激光技术的LHD系统实现了汤姆逊散射（TS）20kHz的世界最高时间分辨率。利用这一系统，研究小组捕捉到了等离子体粒团的进化过程。他们发现，正如理论计算所预测的那样，当氢冰掺杂约5%的氖时，等离子体粒团抛射被抑制，与注入纯氢冰的情况形成鲜明对比。实验还证实氖在等离子体的有效冷却中起着有益作用。

该研究首次表明，向高温等离子体中注入掺有少量氖的氢冰颗粒，可通过抑制等离子体类抛射有效冷却等离子体的深核区域。研究者表示，氖掺杂效应不仅是一种有趣的新实验现象，还发展了ITER中断减缓基线策略。ITER中断缓解系统的设计评审计划于2023年进行，目前的结果有助于提高系统性能。（冯维维）

相关论文信息：https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.129.255001