美国能源部 (DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的研究人员不断寻求开发一系列管理等离子体的方法，以便将其用于在聚变过程中发电，他们已经展示了两个古老的可以组合方法以提供更大的灵活性。
虽然这两种方法——电子回旋电流驱动(ECCD)和应用共振磁扰动(RMP)——已经被研究了很长时间，但这是研究人员第一次模拟它们如何一起使用来增强等离子体控制。
“这是一种新想法，”PPPL 的研究物理学家、《核聚变》杂志上发表的一篇关于这项工作的新论文的主要作者胡启明说道，该论文也已得到实验证明。 “全部功能仍在研究中，但我们的论文在加深我们对潜在好处的理解方面做得很好。”
最终，科学家希望利用聚变来发电。首先，他们需要克服几个障碍，包括完善最小化等离子体粒子爆发的方法，即所谓的边缘局域模式(ELM)。
“这些爆发会定期释放一点压力，因为压力太大了。但这些爆发可能很危险，”在 DIII-D 国家聚变设施 PPPL 工作的胡说，该设施是通用原子公司主办的美国能源部用户设施。 DIII-D 是一种托卡马克装置，它利用磁场将聚变等离子体限制在环形中。 ELM 可以终止聚变反应，甚至损坏托卡马克，因此研究人员开发了许多方法来尝试避免它们。
PPPL 首席研究物理学家、该论文的合著者之一亚历山德罗·博托隆 (Alessandro Bortolon) 表示：“我们发现避免它们的最佳方法是应用共振磁扰动 (RMP)，它会产生额外的磁场。”
磁场产生岛屿，微波调整它们
托卡马克最初施加的磁场围绕环形等离子体缠绕，包括长距离(围绕外边缘)和短距离(从外边缘穿过中心孔)。 RMP 产生的附加磁场穿过等离子体，像下水道的缝线一样穿进穿出。这些场在等离子体中产生椭圆形或圆形磁场，称为磁岛。
左图显示了 3D 线圈产生的托卡马克和 3D 磁扰动，其中紫蓝色代表较低幅度的扰动，红色代表较高幅度的扰动。右图是托卡马克和等离子体上半部分的近距离视图。线圈用于产生产生岛屿(蓝色)的磁场扰动。另一个线圈也可以在机器底部找到。 ECCD 微波的注入系统如顶部所示(红色)。这些可用于调整岛的宽度。图片来源：胡启明 / PPPL
“通常情况下，等离子体中的岛屿真的非常糟糕。如果岛屿太大，那么等离子体本身就会破裂。”
然而，研究人员通过实验已经知道，在某些条件下，这些岛屿可能是有益的。困难的部分是生成足够大的 RMP 来生成岛屿。这就是 ECCD 的用武之地，它基本上是微波束注入。研究人员发现，在等离子体边缘添加 ECCD 可以降低生成制造岛屿所需的 RMP 所需的电流量。
微波束注入还使研究人员能够完善岛的尺寸，以实现最大的等离子体边缘稳定性。打个比方，RMP 的作用就像一个简单的灯开关，可以打开岛，而 ECCD 的作用就像一个额外的调光开关，让研究人员将岛调整到可管理等离子体的理想尺寸。
“我们的模拟加深了我们对游戏中互动的理解，”胡说。 “当 ECCD 以与等离子体中电流相同的方向添加时，岛的宽度减小，基座压力增加。以相反方向应用 ECCD 会产生相反的结果，岛宽度增加，基座压力下降或促进岛屿开放。”
ECCD位于边缘，而不是核心
这项研究还值得注意，因为 ECCD 被添加到等离子体的边缘，而不是通常使用的核心。
“通常，人们认为在等离子体边缘应用局部 ECCD 是有风险的，因为微波可能会损坏容器内的组件，”胡说。 “我们已经证明这是可行的，并且我们已经证明了该方法的灵活性。这可能为设计未来设备开辟新的途径。”
通过降低产生 RMP 所需的电流量，这项模拟工作最终可能会降低未来商业规模聚变装置中聚变能源的生产成本。