新的聚變研究進展：用氫氖混合物冰丸冷卻1億度等離子體防止發生大破裂

純氫和氫與5%氖混合的等離子體行為。在該實驗中，使用一種新的湯姆遜散射（TS）診斷系統（以（前所未有的速率）20 kHz運行，以（i）測量等離子體通過觀察區域的密度，以及（ii）確定其位置，這驗證了理論預測。資料來源：國家聚變科學研究所

在ITER——世界上最大的實驗聚變反應堆，目前正在法國通過國際合作建造——通過所謂的“破裂”突然終止高溫等離子體的磁約束是一個重大的懸而未決的問題。作為對策，中斷緩解技術允許在檢測到等離子體不穩定跡象時強制冷卻等離子體，是全球深入研究的主題。

現在，來自美國國立量子科學與技術研究所（QST）和國家科學研究所（NINS）的國家聚變科學研究所（NIFS）的一組日本研究人員發現，通過在氫冰丸中添加約5%的氖，可以將等離子體更深地冷卻到其表面以下，因此比注入純氫冰丸更有效。

利用NIFS擁有的大型螺旋裝置的理論模型和實驗測量以及先進的診斷，研究人員闡明了在冰丸周圍形成的致密等離子體的動力學，并確定了負責成功增強強制冷卻系統性能的物理機制，這對于在ITER進行實驗是必不可少的。這些結果將有助于為未來的聚變反應堆建立等離子體控制技術。該團隊的報告在《物理評論快報》上在線提供。

通過國際合作，世界上最大的實驗聚變反應堆ITER正在法國建設。在ITER上，將進行實驗，通過將氫同位素等離子體的“燃燒狀態”保持在1億度以上來產生500兆瓦的聚變能。這些實驗成功的主要障礙之一是稱為“破裂”的現象，在此期間，用于限制等離子體的磁場配置由于磁流體動力學不穩定性而坍塌。

破裂會導致高溫等離子體流入容器的內表面，導致結構損壞，進而可能導致實驗進度延遲和成本增加。盡管ITER的機器和運行條件經過精心設計以避免中斷，但不確定性仍然存在，并且需要進行許多實驗，因此需要專門的機器保護策略作為保障。

解決這個問題的一個有希望的解決方案是一種稱為“中斷緩解”的技術，該技術在檢測到可能導致破裂的不穩定跡象的最初跡象時強制冷卻等離子體，從而防止損壞面向等離子體的材料組件。作為基本策略，研究人員正在開發一種方法，使用在低于10開爾文的溫度下冷凍的氫冰顆粒并將其注入高溫等離子體中。

注入的冰從表面融化，由于環境高溫等離子體的加熱而蒸發和電離，在冰周圍形成一層低溫、高密度的等離子體（以下簡稱“等離子體”）。這種低溫、高密度的等離子體與主等離子體混合，主等離子體的溫度在此過程中降低。然而，在最近的實驗中，很明顯，當使用純氫冰時，等離子體在與目標等離子體混合之前就被彈出，使其無法有效地冷卻地表以下更深的高溫等離子體。

這種噴射歸因于等離子體的高壓。定性地，限制在甜甜圈形磁場中的等離子體傾向于與壓力成比例地向外膨脹。由氫冰的熔化和電離形成的等離子體很冷，但非常致密。由于溫度平衡比密度平衡快得多，因此等離子體壓力高于熱目標等離子體的壓力。結果是等離子體變得極化并經歷磁場的漂移運動，因此它在能夠與熱目標等離子體完全混合之前向外傳播。

從理論分析中提出了這個問題的解決方案：模型計算預測，通過將少量氖混合到氫中，可以降低等離子體的壓力。氖在大約20開爾文的溫度下凍結，并在等離子體中產生強烈的線輻射。因此，如果在注入前將氖與氫冰混合，部分加熱能可以作為光子能量發射。

為了證明使用氫氖混合物的這種有益效果，在日本土岐的大型螺旋裝置（LHD）中進行了一系列實驗。多年來，LHD一直運行一種稱為“固體氫丸注射器”的裝置，具有很高的可靠性，該裝置以3 m / s的速度注入直徑約1100 mm的冰丸。由于該系統的高可靠性，能夠以1毫秒的時間精度將氫冰注入等離子體中，從而可以在注入的冰融化后立即測量等離子體溫度和密度。

最近，使用新的激光技術在LHD系統中實現了世界上最高的湯姆遜散射（TS）時間分辨率20 kHz。使用這個系統，研究小組捕捉到了等離子體的進化。他們發現，正如理論計算所預測的那樣，當氫冰摻雜約5%的氖時，等離子體噴射受到抑制，與注入純氫冰的情況形成鮮明對比。此外，實驗證實，氖燈在等離子體的有效冷卻中起著有用的作用。

本研究結果首次表明，將摻有少量氖的氫冰丸注入高溫等離子體中，有助于通過抑制等離子體噴射來有效冷卻等離子體的深核區域。氖摻雜的這種效應不僅作為一種新的實驗現象很有趣，而且還支持了ITER中干擾緩解基線策略的發展。ITER中斷緩解系統的設計審查計劃于2023年進行，目前的結果將有助于提高系統的性能。