核聚变、锂和托卡马克：为火添加恰到好处的燃料

美国能源部普林斯顿等离子物理实验室的一个团队一直在探讨在保持控制的同时可以加入多少燃料。

他们最近相信他们已经找到了一个特定情况下的答案。这是该实验室将聚变能源引入电网的工作的一部分。

通过建立在最近发现的基础上，显示在包含聚变等离子体的容器的内表面涂覆液态锂的潜力，研究人员确定了等离子体边缘的中性粒子的最大密度，在等离子体边缘附近的最大密度知道是重要的，因为它给了研究人员一个关于如何以及如何加注聚变反应燃料的感觉。

这项研究在《核聚变》杂志上的一篇新论文中有所介绍，其中包括来自他们在液态锂托卡马克实验-β（LTX-β）内的实验的观察、数值模拟和分析。

液态锂托卡马克实验-β的独特环境

LTX-β是世界上许多托卡马克容器之一，利用磁场将等离子体保持在一个类似甜甜圈形状的空间内。使这个托卡马克特别的是，其内壁几乎完全被涂覆了锂。这从根本上改变了壁的行为，因为锂保留了相当高比例的氢原子，而如果没有涂覆锂，更多的氢原子将会反弹回等离子体。在2024年初，研究小组报告说，对氢的低循环环境使得等离子体边缘保持热度，使得等离子体更加稳定，并提供了更大容积的等离子体空间。

“我们正在努力证明锂壁可以实现更小型的聚变反应堆，这将转化为更高功率密度，” 普林斯顿等离子物理实验室主管研究物理学家Richard Majeski说道。最终，这项研究可能会成为世界所需要的具有成本效益的聚变能源。

现在，LTX-β团队已经发表了额外的发现，展示了等离子体燃料与其稳定性之间的关系。具体来说，研究人员发现了在LTX-β内等离子体边缘处的中性粒子的最大密度，之前等离子体边缘开始冷却的潜在不稳定问题。研究人员认为他们可以通过保持等离子体边缘的密度低于他们新定义的1 x 1019 m-3水平来降低某些不稳定性的可能性。这是首次针对LTX-β确定这样的水平，了解这一水平对于他们的任务来说是一个重要的一步，因为它指导他们朝着最佳的等离子体燃料实践方向。

在LTX-β，聚变反应通过两种方式加注：从边缘使用氢气喷射和中性粒子束。研究人员正在完善如何同时使用两种方法，以创建能够在未来的聚变反应堆中长时间维持聚变并产生足够能量以使其对电网实用的最佳等离子体。

优化等离子体温度分布的方法

物理学家经常将等离子体边缘的温度与其核心温度进行比较，以评估管理难易程度。他们将这些数字绘制在图表上，并考虑线的斜率。如果内核温度和外缘温度几乎相同，那么线就几乎是平的，所以他们称之为平坦的温度分布。如果外缘温度明显低于内核温度，科学家们称之为尖峰温度分布。

“团队确定了在等离子体边缘之外允许平坦边缘温度分布的中性粒子的最大密度。超过此数量的中性粒子边缘肯定会降低你的边缘温度，你最终将得到一个尖峰温度剖面。” PPPL的研究物理学家Santanu Banerjee在新论文上说：“相同的中性粒子密度是撕裂模式的阈值，超过该密度，撕裂模式倾向于不稳定，对等离子体造成威胁，并且可能停止聚变反应，如果不能控制。”

如果不稳定性变得太大，聚变反应将结束。为了支持电网，研究人员正在找出最佳的方法来管理聚变等离子体，以确保反应是稳定的。

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。

该项目的工作还在继续。PPPL工程师Dylan Corl正在优化中性粒子束注入托卡马克的方向。“我们基本上正在为其创造一个新的端口，” Corl表示。他使用了LTX-β的三维模型，测试不同的束轨迹，以确保束不会击中设备的其他部分，比如用来测量等离子体的工具。“寻找最佳角度一直是一个挑战，但我相信我们现在已经找到了，”Corl说。

美国能源部资助了这项研究，资助号码为DE-AC02-09CH11466, DE-SC0019006, DE-AC0500OR22725和DE-SC0019239。