用氢氖混合冰粒冷却1亿度等离子体

在ITER——世界上最大的实验性聚变反应堆，目前正在法国通过国际合作建设——通过所谓的“中断”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。作为一种对策，在检测到等离子体不稳定迹象时允许强行冷却等离子体的干扰缓解技术是全世界深入研究的主题。

现在，来自国立量子科学技术研究院(QST)和国立国立科学研究院(NINS)的国立融合科学研究所(NIFS)的一组日本研究人员发现，通过向氢冰粒中添加约5%的氖，有可能将等离子体冷却到更深的表面以下，因此比注入纯氢冰粒时更有效。

研究人员使用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技术，阐明了在冰粒周围形成的致密等离子团的动力学，并确定了成功提高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。这些结果将有助于建立未来聚变反应堆的等离子体控制技术。该团队的报告可在《物理评论快报》在线获取。

通过国际合作，世界上最大的实验性聚变反应堆ITER正在法国建设。在ITER，将进行实验，通过将氢同位素等离子体的“燃烧状态”保持在1亿多度以上来产生500兆瓦的聚变能。这些实验成功的主要障碍之一是一种称为“中断”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崩溃。

破裂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误和成本增加。尽管ITER的机器和操作条件经过精心设计以避免中断，但不确定性仍然存在，并且对于许多实验而言，因此需要专门的机器保护策略作为保障。

这个问题的一个有前途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中断的不稳定迹象的第一个阶段强制冷却等离子体，从而防止对面向等离子体的材料组件造成损坏。作为一项基准策略，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粒并将其注入高温等离子体中。

注入的冰从表面融化，并在周围高温等离子体的加热下蒸发电离，在冰周围形成一层低温、高密度的等离子体(以下简称“等离子团”)。这种低温、高密度等离子团与主等离子体混合，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，等离子团在与目标等离子体混合之前就被喷射出来，这使得它无法有效地冷却表面以下更深处的高温等离子体。

这种喷射归因于等离子团的高压。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团很冷但密度很高。因为温度平衡比密度平衡快得多，等离子体团压力上升到高于热目标等离子体的压力。结果是等离子团变得极化并在磁场中经历漂移运动，因此它在能够与热目标等离子体完全混合之前向外传播。

从理论分析上提出了解决这个问题的方法：模型计算预测，通过将少量氖混入氢气中，可以降低等离子团的压力。氖在大约20开尔文的温度下冻结并在等离子团中产生强线辐射。因此，如果氖在注入前与氢冰混合，部分热能可以作为光子能发射出去。

为了证明使用氢-氖混合物的这种有益效果，在位于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一直运行着一种名为“固体氢颗粒注入器”的高可靠性装置，它以1100米/秒的速度注入直径约3毫米的冰颗粒。由于系统的高可靠性，可以以1毫秒的时间精度将氢冰注入等离子体，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，使用新激光技术的LHD系统实现了20kHz汤姆逊散射(TS)的世界最高时间分辨率。使用这个系统，研究小组捕捉到了等离子团的进化。他们发现，正如理论计算所预测的那样，当氢冰中掺杂大约5%的氖时，等离子团的喷射受到抑制，这与注入纯氢冰的情况形成鲜明对比。此外，实验证实，氖在等离子体的有效冷却中起着有益的作用。

这项研究的结果首次表明，将掺有少量氖的氢冰丸注入高温等离子体有助于通过抑制等离子团喷射来有效冷却等离子体的深部核心区域。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ITER中断缓解基线策略的发展。ITER中断缓解系统的设计审查定于2023年进行，目前的结果将有助于提高系统的性能。