科學(xué)家試圖將太陽(yáng)的核聚變帶到地球上來(lái)利用，必須控制熱帶電等離子體（由自由漂浮的電子和原子核或離子組成的物質(zhì)狀態(tài)），而等離子體是核聚變反應(yīng)的燃料。對(duì)于將等離子體限制在磁場(chǎng)中的科學(xué)家來(lái)說(shuō)，一項(xiàng)關(guān)鍵任務(wù)是繪制出磁場(chǎng)的形狀，這一過(guò)程被稱為測(cè)量等離子體的平衡或穩(wěn)定性。

普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的科學(xué)家提出了一種新測(cè)量技術(shù)，以避免在未來(lái)強(qiáng)大的托卡馬克(tokamak)或磁聚變裝置上繪制磁場(chǎng)圖時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題。

這類托卡馬克反應(yīng)堆，包括正在建設(shè)的大型國(guó)際實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目ITER，將產(chǎn)生中子轟擊，可能破壞目前用于繪制現(xiàn)有設(shè)施中地圖的內(nèi)部診斷。因此，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室提議使用一種可在高中子環(huán)境中工作的替代診斷系統(tǒng)。該系統(tǒng)是等離子體診斷的一種，被稱為“電子回旋發(fā)射(ECE)”，它測(cè)量沿電場(chǎng)線循環(huán)的電子溫度?！巴ㄟ^(guò)使用電子回旋發(fā)射系統(tǒng)，可以了解等離子體的溫度和等離子體的波動(dòng)。

這個(gè)提議的方法可以開(kāi)發(fā)成一個(gè)獨(dú)立的映射工具，或者與現(xiàn)有工具一起使用。該方法將電子回旋發(fā)射數(shù)據(jù)與用于測(cè)量等離子體邊界的快速攝像機(jī)圖像相結(jié)合。該組合提供了“可以在高中子環(huán)境下進(jìn)行魯棒設(shè)計(jì)的診斷”，流程如下：

1、研究人員觀察循環(huán)電子發(fā)出的輻射

2、輻射提供了關(guān)于等離子體中生長(zhǎng)的溫度、模式或不穩(wěn)定性的數(shù)據(jù)

3、這些數(shù)據(jù)可以測(cè)量“q剖面”——磁場(chǎng)的螺旋度或螺旋運(yùn)動(dòng)

4、螺旋度的測(cè)量使托卡馬克算子能夠繪制和控制等離子體的平衡

可逆過(guò)程

這項(xiàng)技術(shù)是研究人員在升級(jí)之前，在普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室國(guó)家球形環(huán)實(shí)驗(yàn)(NSTX)模擬放電上測(cè)試的，它顛覆了通常用于聚變研究的過(guò)程，通常從平衡中得到q剖面，但研究表明，也可以從了解q剖面中得到平衡。這種方法只使用一種診斷方法“電子回旋發(fā)射”就可以構(gòu)建融合等離子體的狀態(tài)。

這將對(duì)包括ITER在內(nèi)的許多托卡馬克反應(yīng)堆有用，因?yàn)閷⒃S多不同的診斷方法結(jié)合起來(lái)是有問(wèn)題的，而且容易出錯(cuò)?？茖W(xué)家現(xiàn)在計(jì)劃在多種等離子體放電上測(cè)試電子回旋發(fā)射技術(shù)，一項(xiàng)經(jīng)過(guò)驗(yàn)證和充分發(fā)展的技術(shù)可以為繪制ITER和下一代托卡馬克關(guān)鍵磁場(chǎng)提供一個(gè)有價(jià)值的系統(tǒng)。也許未來(lái)有一天能實(shí)現(xiàn)受控聚變，就真的能想核裂變一樣被人類運(yùn)用。

博科園｜研究/來(lái)自：普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《核聚變與等離子體物理》

DOI: 10.1088/1361-6587/ab24a4

博科園｜科學(xué)、科技、科研、科普