研究人员发现控制聚变反应堆等离子体密度的潜在新方法

在核聚变研究领域，控制等离子体密度、温度和加热对于提高反应堆性能至关重要。有效约束等离子体粒子和热量，特别是在发生核聚变的核心处保持高密度和高温度至关重要。

在大型螺旋装置(LHD)中，挑战依然存在，因为电子密度分布通常保持平坦甚至在中心凹陷，这使得维持高中心密度的努力变得复杂。

LHD配备五个中性束(NB)注入器，用于等离子体加热。注入器NB#1至NB#3沿磁场切向输送束流，而NB#4和NB#5则垂直注入束流。尽管切向和垂直注入之间的功率比有所不同，但离子温度曲线保持不变。

调整切向与垂直高能离子的比例可将速度分布从各向同性改变为各向异性。研究人员通过分析NB#1–NB#5注入光束功率中垂直和平行分量中存储的能量之比(表示为En⊥/En||)，探索了密度分布如何取决于这些高能离子的状态。

在En⊥/En||=0.3至0.8范围内修改各向异性，结果表明，En⊥/En||<0.4导致平坦的电子密度分布，而En⊥/En||>0.4导致中心峰值的电子密度分布。

在传统实验范围En⊥/En||<0.4中，该曲线中心较低，而在新实验范围En⊥/En||>0.4中，该曲线达到峰值。

这些发现表明，高能离子的存在会自发改变血浆的流入/流出速率。使用模拟计算对高能离子的影响进行了进一步的研究。

最初，研究人员分析了等离子体核心径向的电场，模拟值为-5kV/m，与重离子束探测器(HIBP)的测量值一致。虽然这种强度的电场不太可能对粒子流产生重大影响，但研究人员对湍流引起的粒子流入和流出进行了进一步分析。结果表明，湍流可能会影响峰值和平坦的密度分布。

研究成果的意义及未来发展

这一发现阐明了利用高能离子的各向异性特性可以有效调控聚变等离子体约束区域内粒子流入和流出的方向和体积，从而使等离子体保持最佳状态。

研究人员表示，必须弄清这背后的新物理机制。研究人员表示，他们将进一步开展研究，为提高聚变反应堆等离子体的性能、缩小聚变反应堆的尺寸、提高能量输出以及控制等离子体燃烧条件做出贡献。