用氢氖混合冰颗粒冷却1亿度等离子体

高大的电磁铁——中央螺线管是ITER托卡马克的核心。它既能启动等离子体电流，又能驱动和塑造等离子体。图片来源：ITER

在世界上最大的实验性聚变反应堆——正在法国建设国际热核聚变实验堆（ITER），“中断”，即突然终止高温等离子体的磁约束，是一个悬而未决的重大问题。作为应对之策，中断缓解技术，即当检测到等离子体不稳定的迹象时可以强制冷却等离子体的技术，是世界范围内一个密集研究的课题。

现在，来自日本国立量子科学技术研究院（QST）和日本国家自然科学研究所（NINS）国立聚变科学研究所（NIFS）的一组研究人员发现，通过向氢冰颗粒中添加约5%的氖，可以使等离子体在其表面以下更深入地冷却，比注入纯氢冰颗粒更有效。

利用NIFS拥有的大型螺旋设备的先进诊断的理论模型和实验测量，研究人员阐明了在冰颗粒周围形成的密集等离子体的动力学，确定了成功增强强制冷却系统性能的物理机制，这对于在ITER上进行实验是不可或缺的。研究结果有助于建立未来核聚变反应堆的等离子体控制技术。相关研究1月6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1亿度以上的“燃烧状态”来产生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，导致结构损坏，进而可能导致实验进度的延迟和更高的成本。尽管ITER的设备和操作条件经过精心设计，以避免中断，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，该技术在检测到可能导致中断的第一个不稳定迹象时会强制冷却等离子体，从而防止对面向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，使用在低于10开尔文的温度下冻结的氢冰粒团，将其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”）。这种低温高密度等离子体与主等离子体混合，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了，使其无法将高温等离子体冷却到地表以下更深的地方。

这种喷射是由于等离子体粒团的高压所致。定性地说，被限制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，温度很低，但密度很高。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开尔文的温度下结冰，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。

为了证明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）中进行了一系列实验。多年来，LHD一直在高可靠性地运行一个名为“固体氢丸注入器”的设备，该设备可以以1100米/秒的速度注入直径约3毫米的冰丸。该系统的高可靠性保障了科学家以毫秒级时间精度向等离子体中注入氢冰，并在注入的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）20 kHz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的作用。

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，还支持了ITER中断减缓基线策略的发展。ITER中断缓解系统的设计评审计划于2023年进行，目前的结果将有助于提高系统的性能。纯氢和氢氖混合物的等离子体粒团行为。在实验中，以史无前例的20千赫速度运行的汤姆逊散射诊断系统被用于在等离子体穿过观测区域时测量其密度，并确定其位置，这验证了理论预测。