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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。

技術細節

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。

作者觀點

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。」

 

參考資料:

  1. Christian, J. (2019, January 10). Scientists discovered a new way to stabilize fusion reactions. Retrieved January 18, 2019.
  2. DOE/Princeton Plasma Physics Laboratory. (2019, January 8). Scientists discover a process that stabilizes fusion plasmas. ScienceDaily. Retrieved January 19, 2019.
  3. Reiman, A., & Fisch, N. (2018). Suppression of Tearing Modes by Radio Frequency Current Condensation. Physical Review Letters,121(22). doi:10.1103/physrevlett.121.225001
  4. Magnetic island. (2018, September 28). Retrieved January 21, 2019.
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