普林斯顿等离子体物理实验室在核聚变取得了新进展

近日，《核聚变》杂志刊登了美国普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科研人员在核聚变领域取得的重大进展，这是实现核聚变能源应用的关键一步。团队成功确定了在等离子体开始冷却之前，等离子体边缘无电荷或中性粒子的最大浓度，该发现有助于避免反应过程中的不稳定现象。

利用这项成果，研究团队能够精确计算出能够添加到反应堆中的核燃料量，以确保反应过程的稳定进行。

随着全球对于更为先进、清洁能源的探索，核聚变能源被广泛认为是未来可靠能源技术的重要方向。核聚变技术模拟太阳能量产生过程，通过高温等离子体将氢原子融合形成氦原子的同时释放能量。

然而，尽管原理上可行，但目前科学家们仅在少数实验中实现了输出能量超过输入能量的目标。现有的基于聚变的能量生成设备体积庞大，不适合商业化应用。PPPL的科研人员正在研究一种核聚变反应堆的新型设计，旨在实现更小型的聚变反应堆实用化。

什么是锂托卡马克？

为实现聚变实验，研究人员通常使用强大磁场将氢等离子体 confined 在一个环状的装置中，称为托卡马克。PPPL的研究团队在托卡马克的内壁涂覆了锂，在锂托卡马克实验-beta（LTX-β）中，锂的加入改变了托卡马克壁的性质，实现了高效率的氢原子保留。

若无锂涂层，大量氢原子会从托卡马克壁反弹回等离子体中。PPPL的研究已经证明，降低这一数字可以在等离子体边缘保持高温和稳定性，为反应堆内部反应提供更多空间。

在最新的研究中，团队找到了在等离子体边缘开始冷却前，LTX-β内等离子体边缘的中性粒子最大密度。他们认为等离子体边缘的密度必须保持在1 x 10^19 m^-3以下，这是首次为LTX-β设定此类标准。

维持等离子体温度的均匀性

在锂托卡马克装置中，燃料可通过边缘喷射的氢气或注入中性粒子的方式添加。PPPL的团队通过优化燃料流程，致力于找出一种方法，使聚变反应以稳定方式进行，生成的能量可以供电网使用。

物理学家通常通过比较等离子体边缘和核心的温度来监控聚变反应的管理可能性，并将这些数据绘制成图表，分析两者之间的温差。

如果两个温度相近，图表上的线条平坦，这种情况称为平坦温度分布。若边缘温度低于核心温度，则形成峰值温度分布。

PPPL的研究人员已确定了能够维持平坦温度分布的中性粒子最大密度。超过此密度，可能导致不稳定，亦称撕裂模式。未经控制的撕裂模式可能破坏稳定，阻碍聚变反应的进行。

目前，研究者正利用中性束的轨迹来最大化等离子体加热的效率。