在保持控制的同时，我们可以添加多少燃料?打个比方来说，这是普林斯顿等离子体物理实验室

(PPPL) 的一个团队最近一直在问自己的问题。 现在，他们相信他们已经找到了针对一种特定情况的答案。实验室工作的一部分就是将聚变产生的能量输送到电网。

最近的研究结果显示，在液态锂中涂覆含有聚变 等离子体的容器的内表面是有希望的，研究人员在等离子体边缘冷却之前确定了等离子体边缘不带电或中性粒子的最大密度关闭并且某些不稳定性变得不可预测。了解聚变等离子体边缘的中性粒子的最大密度很重要，因为它让研究人员了解如何以及多少为聚变反应提供燃料。

这项研究发表在《核聚变》杂志上的一篇新论文中，包括在名为“锂托卡马克实验-Beta”(LTX- β)的聚变等离子体容器内进行的实验的观察、数值模拟和分析。

LTX- β独特的环境

LTX- β是世界上众多利用磁场将等离子体保持为甜甜圈形状的聚变容器之一。这种容器被称为托卡马克。这个托卡马克装置的特别之处在于它的内壁几乎完全被锂覆盖。这从根本上改变了壁的行为，因为锂保留了来自等离子体的很高比例的氢原子。如果没有锂，更多的氢气将从壁上弹回等离子体中。 2024年初，研究团队报告称，这种氢的低回收环境使等离子体的边缘保持高温，使等离子体更加稳定，并为更大体积的等离子体提供了空间。

PPPL 首席研究物理学家兼 LTX- β项目负责人理查德·马杰斯基 (Richard Majeski)表示：“我们正试图证明，锂壁可以实现更小的聚变反应堆，从而转化为更高的功率密度。”最终，这项研究可以转化为世界所需的具有成本效益的聚变电源。

现在，LTX- β团队发表了更多研究结果，显示了等离子体燃料与其稳定性之间的关系。具体来说，研究人员发现 ，在边缘开始冷却之前， LTX- β内部等离子体边缘的中性粒子密度达到最大，这可能会导致稳定性问题。研究人员相信，通过将等离子体边缘的密度保持在新定义的 1 x 10 19 m –3水平以下，他们可以减少某些不稳定性的可能性。这是 LTX- β首次达到这样的水平，并且知道这是他们证明锂是托卡马克内壁涂层的理想选择的使命中的一大步，因为它引导他们走向最佳实践为他们的等离子体提供燃料。

在 LTX- β中，聚变通过两种方式提供燃料：使用来自边缘的氢气和中性粒子束。研究人员正在改进如何同时使用这两种方法来创建最佳等离子体，该等离子体将在未来的聚变反应堆中长期维持聚变，同时产生足够的能量以使其可用于电网。

保持等离子体温度均匀的精炼方法

物理学家经常将其边缘温度与核心温度进行比较，以评估管理的难易程度。他们将这些数字绘制在图表上并考虑直线的斜率。如果内核和外边缘的温度几乎相同，则该线几乎是平坦的，因此他们称其为平坦的温度分布。如果外边缘的温度明显低于内核的温度，科学家将其称为峰值温度分布。

“该团队确定了等离子体边缘之外的中性粒子的最大密度，该密度仍然允许平坦边缘的温度分布。超过边缘的中性粒子数量肯定会降低边缘温度，最终会出现峰值温度曲线。” PPPL 的研究物理学家、新论文的主要作者 Santanu Banerjee说道。

“同样的中性密度是称为撕裂模式的不稳定性的阈值。超过这个密度，撕裂模式往往会变得不稳定，对等离子体造成威胁，如果不加控制，可能会停止聚变反应。”

如果不稳定性变得太大，聚变反应就会结束。为了支持电网，研究人员正在寻找管理聚变等离子体的最佳方法，以使反应稳定。

Banerjee 和 Majeski 与其他几位研究人员合作撰写了这篇论文，包括 PPPL 的Dennis Boyle、Anurag Maan、Nate Ferraro、George Wilkie、Mario Podesta 和 Ron Bell。

该项目的工作仍在继续。 PPPL 工程师Dylan Corl正在优化用于加热等离子体的中性束注入托卡马克的方向。 “我们基本上是在为它创建一个新的端口，”科尔说。他使用 LTX- β的 3D 模型来测试不同的光束轨迹，以确保光束不会击中设备的其他部分，例如用于测量等离子体的工具。 “找到最佳角度一直是一个挑战，但我相信我们现在已经找到了，”科尔说。