核融合反應爐內部 / Credit: Robert Mumgaard/Wikimedia Commons

核融合發電被視為達到無盡潔淨能源的關鍵,但目前仍然缺乏能控制反應爐內電漿的方法。不過,研究人員最近發現能降低電漿溫度和密度震盪的方法,朝向穩定的核融合能源躍進了一步。

普林斯頓大學(Princeton University)的電漿物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory, PPPL)研究團隊在歷經數次的運算模擬後,才獲得這寶貴的發現。

雖然電漿屬於物質的其中一態,但在地球上無法像固、液、氣三態一樣自然存在,科學家在反應爐中模仿恆星來複製核融合反應,爐中高溫的氫原子懸浮在電漿中,相互碰撞並分裂為離子與電子,然後再融合成氦原子,這樣的過程產生的大量熱量可被用於發電。

模擬中的發現

不過電漿的密度和溫度會不穩定變動,導致核融合反應中斷,此過程被稱作鋸齒不穩定性(sawtooth instability),使得穩定電漿成了一項有挑戰性的工作。為了保持電漿核心的電流,PPPL 模擬的反應爐利用磁通量泵送(magnetic flux pumping)的機制。

PPPL 的模擬中混合使用兩種情境──電漿穩定的 H 模式和電漿稍有洩出能量的 L 模式──來促成磁通量泵送,而此時的電流平穩,電漿密度也相當高,達到準互換模式(quasi-interchange mode),讓電漿在磁場變形的同時被攪動混合,這種混合效果能確保電流曲線的平坦,消除鋸齒不穩定性。

負責該研究的研究員伊莎貝爾·克雷布斯博士(Isabel Krebs)表示,此機制未來將能用於國際熱核融合實驗反應爐(ITER)等大型核融合應用。

 

參考資料:

  1. Vyas, K. (2018, July 20). Scientists Discover How to Keep Plasma In Fusion Reactors Stable. Retrieved July 29, 2018.
  2. Krebs, I. et al., (2017). Magnetic flux pumping in 3D nonlinear magnetohydrodynamic simulations, Physics of Plasmas
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