新的聚变研究进展：用氢氖混合物冰丸冷却1亿度等离子体防止发生大破裂

纯氢和氢与5%氖混合的等离子体行为。在该实验中，使用一种新的汤姆逊散射（TS）诊断系统（以（前所未有的速率）20 kHz运行，以（i）测量等离子体通过观察区域的密度，以及（ii）确定其位置，这验证了理论预测。资料来源：国家聚变科学研究所

在ITER——世界上最大的实验聚变反应堆，目前正在法国通过国际合作建造——通过所谓的“破裂”突然终止高温等离子体的磁约束是一个重大的悬而未决的问题。作为对策，中断缓解技术允许在检测到等离子体不稳定迹象时强制冷却等离子体，是全球深入研究的主题。

现在，来自美国国立量子科学与技术研究所（QST）和国家科学研究所（NINS）的国家聚变科学研究所（NIFS）的一组日本研究人员发现，通过在氢冰丸中添加约5%的氖，可以将等离子体更深地冷却到其表面以下，因此比注入纯氢冰丸更有效。

利用NIFS拥有的大型螺旋装置的理论模型和实验测量以及先进的诊断，研究人员阐明了在冰丸周围形成的致密等离子体的动力学，并确定了负责成功增强强制冷却系统性能的物理机制，这对于在ITER进行实验是必不可少的。这些结果将有助于为未来的聚变反应堆建立等离子体控制技术。该团队的报告在《物理评论快报》上在线提供。

通过国际合作，世界上最大的实验聚变反应堆ITER正在法国建设。在ITER上，将进行实验，通过将氢同位素等离子体的“燃烧状态”保持在1亿度以上来产生500兆瓦的聚变能。这些实验成功的主要障碍之一是称为“破裂”的现象，在此期间，用于限制等离子体的磁场配置由于磁流体动力学不稳定性而坍塌。

破裂会导致高温等离子体流入容器的内表面，导致结构损坏，进而可能导致实验进度延迟和成本增加。尽管ITER的机器和运行条件经过精心设计以避免中断，但不确定性仍然存在，并且需要进行许多实验，因此需要专门的机器保护策略作为保障。

解决这个问题的一个有希望的解决方案是一种称为“中断缓解”的技术，该技术在检测到可能导致破裂的不稳定迹象的最初迹象时强制冷却等离子体，从而防止损坏面向等离子体的材料组件。作为基本策略，研究人员正在开发一种方法，使用在低于10开尔文的温度下冷冻的氢冰颗粒并将其注入高温等离子体中。

注入的冰从表面融化，由于环境高温等离子体的加热而蒸发和电离，在冰周围形成一层低温、高密度的等离子体（以下简称“等离子体”）。这种低温、高密度的等离子体与主等离子体混合，主等离子体的温度在此过程中降低。然而，在最近的实验中，很明显，当使用纯氢冰时，等离子体在与目标等离子体混合之前就被弹出，使其无法有效地冷却地表以下更深的高温等离子体。

这种喷射归因于等离子体的高压。定性地，限制在甜甜圈形磁场中的等离子体倾向于与压力成比例地向外膨胀。由氢冰的熔化和电离形成的等离子体很冷，但非常致密。由于温度平衡比密度平衡快得多，因此等离子体压力高于热目标等离子体的压力。结果是等离子体变得极化并经历磁场的漂移运动，因此它在能够与热目标等离子体完全混合之前向外传播。

从理论分析中提出了这个问题的解决方案：模型计算预测，通过将少量氖混合到氢中，可以降低等离子体的压力。氖在大约20开尔文的温度下冻结，并在等离子体中产生强烈的线辐射。因此，如果在注入前将氖与氢冰混合，部分加热能可以作为光子能量发射。

为了证明使用氢氖混合物的这种有益效果，在日本土岐的大型螺旋装置（LHD）中进行了一系列实验。多年来，LHD一直运行一种称为“固体氢丸注射器”的装置，具有很高的可靠性，该装置以3 m / s的速度注入直径约1100 mm的冰丸。由于该系统的高可靠性，能够以1毫秒的时间精度将氢冰注入等离子体中，从而可以在注入的冰融化后立即测量等离子体温度和密度。

最近，使用新的激光技术在LHD系统中实现了世界上最高的汤姆逊散射（TS）时间分辨率20 kHz。使用这个系统，研究小组捕捉到了等离子体的进化。他们发现，正如理论计算所预测的那样，当氢冰掺杂约5%的氖时，等离子体喷射受到抑制，与注入纯氢冰的情况形成鲜明对比。此外，实验证实，氖灯在等离子体的有效冷却中起着有用的作用。

本研究结果首次表明，将掺有少量氖的氢冰丸注入高温等离子体中，有助于通过抑制等离子体喷射来有效冷却等离子体的深核区域。氖掺杂的这种效应不仅作为一种新的实验现象很有趣，而且还支持了ITER中干扰缓解基线策略的发展。ITER中断缓解系统的设计审查计划于2023年进行，目前的结果将有助于提高系统的性能。