近日，《核聚變》雜志刊登了美國普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的科研人員在核聚變領(lǐng)域取得的重大進(jìn)展，這是實(shí)現(xiàn)核聚變能源應(yīng)用的關(guān)鍵一步。團(tuán)隊(duì)成功確定了在等離子體開始冷卻之前，等離子體邊緣無電荷或中性粒子的最大濃度，該發(fā)現(xiàn)有助于避免反應(yīng)過程中的不穩(wěn)定現(xiàn)象。

利用這項(xiàng)成果，研究團(tuán)隊(duì)能夠精確計(jì)算出能夠添加到反應(yīng)堆中的核燃料量，以確保反應(yīng)過程的穩(wěn)定進(jìn)行。

隨著全球?qū)τ诟鼮橄冗M(jìn)、清潔能源的探索，核聚變能源被廣泛認(rèn)為是未來可靠能源技術(shù)的重要方向。核聚變技術(shù)模擬太陽能量產(chǎn)生過程，通過高溫等離子體將氫原子融合形成氦原子的同時(shí)釋放能量。

然而，盡管原理上可行，但目前科學(xué)家們僅在少數(shù)實(shí)驗(yàn)中實(shí)現(xiàn)了輸出能量超過輸入能量的目標(biāo)?，F(xiàn)有的基于聚變的能量生成設(shè)備體積龐大，不適合商業(yè)化應(yīng)用。PPPL的科研人員正在研究一種核聚變反應(yīng)堆的新型設(shè)計(jì)，旨在實(shí)現(xiàn)更小型的聚變反應(yīng)堆實(shí)用化。

什么是鋰托卡馬克？

為實(shí)現(xiàn)聚變實(shí)驗(yàn)，研究人員通常使用強(qiáng)大磁場將氫等離子體 confined 在一個(gè)環(huán)狀的裝置中，稱為托卡馬克。PPPL的研究團(tuán)隊(duì)在托卡馬克的內(nèi)壁涂覆了鋰，在鋰托卡馬克實(shí)驗(yàn)-beta（LTX-β）中，鋰的加入改變了托卡馬克壁的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了高效率的氫原子保留。

若無鋰涂層，大量氫原子會從托卡馬克壁反彈回等離子體中。PPPL的研究已經(jīng)證明，降低這一數(shù)字可以在等離子體邊緣保持高溫和穩(wěn)定性，為反應(yīng)堆內(nèi)部反應(yīng)提供更多空間。

在最新的研究中，團(tuán)隊(duì)找到了在等離子體邊緣開始冷卻前，LTX-β內(nèi)等離子體邊緣的中性粒子最大密度。他們認(rèn)為等離子體邊緣的密度必須保持在1 x 10^19 m^-3以下，這是首次為LTX-β設(shè)定此類標(biāo)準(zhǔn)。

維持等離子體溫度的均勻性

在鋰托卡馬克裝置中，燃料可通過邊緣噴射的氫氣或注入中性粒子的方式添加。PPPL的團(tuán)隊(duì)通過優(yōu)化燃料流程，致力于找出一種方法，使聚變反應(yīng)以穩(wěn)定方式進(jìn)行，生成的能量可以供電網(wǎng)使用。

物理學(xué)家通常通過比較等離子體邊緣和核心的溫度來監(jiān)控聚變反應(yīng)的管理可能性，并將這些數(shù)據(jù)繪制成圖表，分析兩者之間的溫差。

如果兩個(gè)溫度相近，圖表上的線條平坦，這種情況稱為平坦溫度分布。若邊緣溫度低于核心溫度，則形成峰值溫度分布。

PPPL的研究人員已確定了能夠維持平坦溫度分布的中性粒子最大密度。超過此密度，可能導(dǎo)致不穩(wěn)定，亦稱撕裂模式。未經(jīng)控制的撕裂模式可能破壞穩(wěn)定，阻礙聚變反應(yīng)的進(jìn)行。

目前，研究者正利用中性束的軌跡來最大化等離子體加熱的效率。