引人入勝的磁場舞蹈:如何讓等離子體在托卡馬克中優雅運行?

在磁約束核 fusion 中,deivertor 是一種磁場配置,它將熱量和逃逸的粒子引導至專用的等離子體表面組件,從而在空間上將等離子體與表面互動的區域與受限核心分開。這一過程需要建立一種由 separatrix 界限的磁場配置,通常是通過使用外部線圈來創建極點場空點 (X-points) 來實現的。作為磁約束核融合設備的重要組成部分,deivertor 最初是在1950年代由萊曼·斯皮策引入的,用於恆星器的概念。

deivertor 可以提取融合反應產生的熱量和灰燼,同時保護主腔室免受熱負荷影響,並降低因溅射雜質造成的等離子體污染水平。

在托卡馬克中,deivertor 配置使得獲得更穩定的高約束模式 (H-mode) 變得更加容易。目前預計,未來的融合電廠將會生成超出等離子體表面組件工程極限的 deivertor 熱負荷。因此,尋找降低 deivertor 功率廢氣挑戰的緩解策略成為核融合研究中一個重要的課題。

托卡馬克 deivertor

一個具有 deivertor 的托卡馬克稱為 deivertor 托卡馬克或 deivertor 配置托卡馬克。在這一配置中,粒子通過一個磁性“間隙” (separatrix) 逃逸,這允許能量吸收部件的 deivertor 被放置在等離子體的外部。這種 deivertor 配置也使得獲得更穩定的 H-mode 操作變得更加容易。

deivertor 中的等離子體表面材料面臨與大多數第一牆顯著不同的應力。

恆星器 deivertor

在恆星器中,低階磁島可用於形成 deivertor 容量,稱為島 deivertor,以管理功率和粒子排放。島 deivertor 在獲取和穩定脫附場景方面取得的成功,並在 W7-X 恆星器中展示了可靠的熱流和脫附控制,使用氫氣注入和雜質播種。

磁島鏈可以控制等離子體的燃料供應。

儘管面臨一些挑戰,島 deivertor 概念顯示出在管理核融合反應堆的功率和粒子排放方面的巨大潛力,進一步的研究可能會導致未來更高效、可靠的操作。

大螺旋裝置和非共振 deivertor

螺旋 deivertor,如在大型螺旋裝置 (LHD) 中使用的大型螺旋線圈,利用這些線圈創建一個轉向場。這一設計允許調整位於受限等離子體體積和結束在 deivertor 板上的場線之間的隨機層大小。然而,螺旋 deivertor 是否與為新古典運輸優化的恆星器相容仍然不確定。

非共振 deivertor 提供了一種針對具有顯著自生電流的優化恆星器的替代設計。

這種方法利用等離子體邊界上的尖銳"脊"來導通磁通。自生電流修改這些脊的形狀,而非位置,提供了一種有效的通道機制。儘管這一設計前景可期,但尚未進行實驗測試。考量到,與其二維托卡馬克對應物相比,恆星器 deivertor 的設計復雜性較高,因此對其性能的充分理解在恆星器優化中至關重要。

實驗與未來的展望

在 W7-X 和 LHD 中進行的 deivertor 實驗顯示出可喜的結果,並為未來在形狀和性能上的改進提供了寶貴的見解。而且,隨著非共振 deivertor 的出現,為準對稱恆星器和其他未經優化以最小化等離子體電流的配置提供了一條令人興奮的新路徑。

在這場磁場的優雅舞蹈中,未來的核融合設施能否戰勝 deivertor 的挑戰,達成理想的能源解決方案?

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