在保持控制的同時，我們可以添加多少燃料?打個比方來說，這是普林斯頓等離子體物理實驗室

(PPPL) 的一個團隊最近一直在問自己的問題。 現在，他們相信他們已經找到了針對一種特定情況的答案。實驗室工作的一部分就是將聚變產生的能量輸送到電網。

最近的研究結果顯示，在液態鋰中涂覆含有聚變 等離子體的容器的內表面是有希望的，研究人員在等離子體邊緣冷卻之前確定了等離子體邊緣不帶電或中性粒子的最大密度關閉并且某些不穩定性變得不可預測。了解聚變等離子體邊緣的中性粒子的最大密度很重要，因為它讓研究人員了解如何以及多少為聚變反應提供燃料。

這項研究發表在《核聚變》雜志上的一篇新論文中，包括在名為“鋰托卡馬克實驗-Beta”(LTX- β)的聚變等離子體容器內進行的實驗的觀察、數值模擬和分析。

LTX- β獨特的環境

LTX- β是世界上眾多利用磁場將等離子體保持為甜甜圈形狀的聚變容器之一。這種容器被稱為托卡馬克。這個托卡馬克裝置的特別之處在于它的內壁幾乎完全被鋰覆蓋。這從根本上改變了壁的行為，因為鋰保留了來自等離子體的很高比例的氫原子。如果沒有鋰，更多的氫氣將從壁上彈回等離子體中。 2024年初，研究團隊報告稱，這種氫的低回收環境使等離子體的邊緣保持高溫，使等離子體更加穩定，并為更大體積的等離子體提供了空間。

PPPL 首席研究物理學家兼 LTX- β項目負責人理查德·馬杰斯基 (Richard Majeski)表示：“我們正試圖證明，鋰壁可以實現更小的聚變反應堆，從而轉化為更高的功率密度。”最終，這項研究可以轉化為世界所需的具有成本效益的聚變電源。

現在，LTX- β團隊發表了更多研究結果，顯示了等離子體燃料與其穩定性之間的關系。具體來說，研究人員發現 ，在邊緣開始冷卻之前， LTX- β內部等離子體邊緣的中性粒子密度達到最大，這可能會導致穩定性問題。研究人員相信，通過將等離子體邊緣的密度保持在新定義的 1 x 10 19 m –3水平以下，他們可以減少某些不穩定性的可能性。這是 LTX- β首次達到這樣的水平，并且知道這是他們證明鋰是托卡馬克內壁涂層的理想選擇的使命中的一大步，因為它引導他們走向最佳實踐為他們的等離子體提供燃料。

在 LTX- β中，聚變通過兩種方式提供燃料：使用來自邊緣的氫氣和中性粒子束。研究人員正在改進如何同時使用這兩種方法來創建最佳等離子體，該等離子體將在未來的聚變反應堆中長期維持聚變，同時產生足夠的能量以使其可用于電網。

保持等離子體溫度均勻的精煉方法

物理學家經常將其邊緣溫度與核心溫度進行比較，以評估管理的難易程度。他們將這些數字繪制在圖表上并考慮直線的斜率。如果內核和外邊緣的溫度幾乎相同，則該線幾乎是平坦的，因此他們稱其為平坦的溫度分布。如果外邊緣的溫度明顯低于內核的溫度，科學家將其稱為峰值溫度分布。

“該團隊確定了等離子體邊緣之外的中性粒子的最大密度，該密度仍然允許平坦邊緣的溫度分布。超過邊緣的中性粒子數量肯定會降低邊緣溫度，最終會出現峰值溫度曲線。” PPPL 的研究物理學家、新論文的主要作者 Santanu Banerjee說道。

“同樣的中性密度是稱為撕裂模式的不穩定性的閾值。超過這個密度，撕裂模式往往會變得不穩定，對等離子體造成威脅，如果不加控制，可能會停止聚變反應。”

如果不穩定性變得太大，聚變反應就會結束。為了支持電網，研究人員正在尋找管理聚變等離子體的最佳方法，以使反應穩定。

Banerjee 和 Majeski 與其他幾位研究人員合作撰寫了這篇論文，包括 PPPL 的Dennis Boyle、Anurag Maan、Nate Ferraro、George Wilkie、Mario Podesta 和 Ron Bell。

該項目的工作仍在繼續。 PPPL 工程師Dylan Corl正在優化用于加熱等離子體的中性束注入托卡馬克的方向。 “我們基本上是在為它創建一個新的端口，”科爾說。他使用 LTX- β的 3D 模型來測試不同的光束軌跡，以確保光束不會擊中設備的其他部分，例如用于測量等離子體的工具。 “找到最佳角度一直是一個挑戰，但我相信我們現在已經找到了，”科爾說。