韓國超導環磁機先進研究所的核融合反應爐(圖:維基百科)

核融合產生大量的能量驅動著恆星。長期以來,科學家試圖複製這個過程,但如何減少或消除電漿中常見的不穩定:邊緣局部模式(edge localized modes,ELM),成了在地球上使用這種能量的一大難題。就像太陽以閃焰(solar flare)的形式爆發出巨大的能量一樣, ELM 產生的相似爆發可能會撞上環磁機(Tokamak),進而損壞核融合反應爐。

共振磁場擾動

核融合的過程中,困難的部分是讓電漿產生恰當的三維扭曲,以消除 ELM,而不會觸發其他不穩定性,或釋放過多的能量。否則在最壞的情況下,這些能量將會中止整個反應。然而,干擾電漿的磁性扭曲有無限種可能性,讓找出正確的扭曲成了非常大的挑戰。

為了解決此問題,美國普林斯頓電漿物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory,PPPL)的物理學家 Jong-Kyu Park 與韓國國家核融合研究所(National Fusion Research Institute,NFRI)的團隊合作,使用稱為共振磁場擾動(resonant magnetic perturbations,RMP)的微小磁波,來干擾電漿光滑的圓環形狀,釋放過多的壓力,以減輕或阻止 ELM 的發生。

研究團隊成功預測出一整套電漿的有效三維扭曲,可控制 ELM 而不會產生更多問題,並能顯著提高環磁機的效率。

研究效益

研究人員發現,電漿的扭曲方式其實遠少於可以施加在電漿上的三維場數量,讓運算的複雜性得以降低。研究人員再從扭曲方式回推所使用的三維場,並以此計算出消除 ELM 的最有效磁場。

研究人員在韓國大田(Daejeon)的韓國超導環磁機先進研究所(Korean Superconducting Tokamak Advanced Research,KSTAR)進行了驗證,結果非常準確地證實了這些預測。

KSTAR 採用的先進磁鐵控制技術,可以在近乎完美的對稱圓環形電漿中產生精確的扭曲。研究團隊開發出一種精確的預測模型,讓驗證數量減少到 KSTAR 可能產生扭曲的 1% 以內,得以辨別最佳的扭曲。

此研究結果將有助於為國際熱核融合實驗反應爐(International Thermonuclear Experimental Reactor,ITER)預測電漿的最佳三維場,ITER 計劃採用特殊磁鐵產生電漿扭曲以控制 ELM 。這種控制對 ITER 至關重要, ITER 的目標是產生比加熱電漿所需能量高出十倍的能量。

 

參考資料:

  1. Greenwald, J. (2018, September 10). Discovered: Optimal magnetic fields for suppressing instabilities in tokamaks. Retrieved September 24, 2018.
  2. Park, J., Jeon, Y., In, Y., Ahn, J., Nazikian, R., Park, G., . . . Zarnstroff, M. C. (2018). 3D field phase-space control in tokamak plasmas. Nature Physics. doi:10.1038/s41567-018-0268-8
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