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科學家發現射頻可穩定電漿的撕裂波模﹐進而提升核融合反應的穩定性
若想將核融合反應在地球上重現﹐就必須保持超高溫的電漿穩定。最近﹐普林斯頓電漿物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL)的研究人員發現了一個方法﹐有助於控制與避免反應中斷﹐並期待能應用在國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor, ITER)﹐ITER計畫於2025年開始實驗。
這項研究主要是解決電漿中撕裂波模(tearing mode)的難題﹐這是在電漿中產生磁島(magnetic island)的不穩定狀態。磁島是封閉的磁通量管(magnetic flux tube)﹐在電漿中成環形。如液體中的泡泡﹐磁島會長大並觸發破壞性的情況﹐讓核融合反應中止並損壞環磁機(tokamak)。
在1983年便有研究發現﹐使用射頻(radio-frequency waves)驅動電漿中的電流﹐可以穩定撕裂波模﹐降低反應中止的風險﹐但當時沒有發現的是﹐只要射頻超過關鍵閾值﹐電漿溫度的微小擾動可以改善穩定的過程。PPPL最新的研究發現﹐電漿溫度的擾動會影響電流驅動的強度和磁島內部的射頻功率(RF power)。這種溫度擾動與其對儲存功率影響的反饋呈現非線性關係。當反饋與電流驅動對溫度擾動的靈敏度互相配合時﹐就能大幅改善電漿的穩定性。以上的總體影響﹐在技術上稱為「射頻電流凝聚」(radio frequency current condensation)﹐在磁島內部會使射頻功率集中﹐抑制磁島生長。
PPPL理論物理學家艾倫·雷曼博士(Allan Reiman)表示﹕「功率沉積(power deposition)大大增加。當磁島中的功率沉積超過閾值時﹐溫度就會出現跳躍﹐進而大幅增強穩定效果。人們擔心ITER的實驗會因磁島變大而導致中斷﹐概括而言﹐這些新發現的效應應該可以使ITER更容易穩定。」。
普林斯頓大學(Princeton University)電漿物理實驗室的奈特·費許教授(Nat Fisch)表示﹕「使用射頻電流驅動來穩定撕裂波模﹐對環磁機的發展可能比用於限制電漿更為關鍵。雷曼博士1983年開創性的論文﹐除了預測射頻電流可以穩定撕裂波模﹐也提及磁島中溫度擾動的重要性﹐而透過對物理和正面回饋的探索﹐我們才得以將35年前的概念推進一步。」。
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