中国掌握可控核聚变高约束先进控制技术

中国掌握可控核聚变高约束先进控制技术 中核集团宣布新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现 100 万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。 可控核聚变是目前认识到的能够最终解决人类能源问题的重要途径之一，具有原料充足、经济性能优异、安全可靠、无环境污染等优势，主要的方式有 3 种：引力约束、惯性约束和磁约束。 2022 年 12 月 5 日，美国劳伦斯利佛摩国家实验室（LLNL）首次实现能量净收益的可控核聚变。该实验通过 192 道激光聚焦目标提供 2.05 兆焦耳的能量，从而超过聚变阈值，产生 3.15 兆焦耳的聚变能量输出。 频道：@kejiqu 群组：@kejiquchat 投稿：@kejiqubot

了解快速离子碰撞：聚变反应堆中的离子和波的“芭蕾舞”

了解快速离子碰撞：聚变反应堆中的离子和波的“芭蕾舞” 核聚变实验中快速离子（黑色螺旋）与等离子体波（彩色）相互作用的示意图。资料来源：史蒂夫-艾伦（劳伦斯-利弗莫尔国家实验室），由迈克-范-泽兰（通用原子公司）改编在等离子体中，"冲浪者"可能是速度非常快的离子，它们可能出现在核聚变装置中，是核聚变反应或用于加热等离子体的其他过程的结果。这些快速离子的作用通常与海洋中的冲浪者相反它们为海浪提供能量，使海浪变大。当共振粒子与波浪交换能量时，它们也会通过随机碰撞受到等离子体中其他粒子的挤压。这些碰撞的类型和发生频率决定了波浪的大小和粒子的晃动程度。如果波浪过大或过多，就会把冲浪粒子踢出装置，对墙壁造成潜在危险，同时也会减少聚变能的产生量。聚变反应堆的挑战聚变反应堆中的等离子体必须不断加热，以保持产生能量所需的温度。然而，加热等离子体的快速离子也会与等离子体中的波产生共振。这会导致这些波的增长，并有可能将快速离子踢出装置。研究人员需要了解快速离子与等离子体波之间的共振相互作用，以预测和减轻任何不利影响。这项研究将数学计算与计算机模拟相结合，揭示了不同类型的碰撞如何通过竞争来决定共振粒子与等离子体波之间的能量传递方式。研究人员正在利用这一新的认识来制定如何保持等离子体足够热以维持核聚变反应的模型。共振波粒等离子体问题还与星系中的某些引力相互作用有关。这意味着该项目的方法可以应用于天体物理研究，包括暗物质研究。了解快速离子碰撞在核聚变实验中，快速离子通过与电子碰撞，将其能量传递给背景等离子体，从而使等离子体保持足够的热量进行核聚变。碰撞有两种不同类型：扩散散射和对流阻力。扩散碰撞与台球桌上的台球散射是同一类型。与此同时，当把手伸出行驶中的汽车窗外时，你会感觉到阻力碰撞。根据快离子的速度和等离子体的温度，每种碰撞都会对快离子的行为产生更大的影响。具体来说，快离子速度越大，阻力越大，而等离子体温度越高，扩散越有利。在快速离子通过碰撞加热背景等离子体的同时，它们也会与等离子体波发生共振作用，而等离子体波会消耗它们的能量，从而有可能冷却等离子体。在没有任何碰撞的情况下，只有当粒子的速度与波的速度完全匹配时，才会发生快离子与波之间的共振。科学家们早就知道，扩散碰撞的作用是"抹去"共振，即使粒子的速度比波的移动速度稍快或稍慢，它们也能有效地与波进行能量交换。这项研究的新发现是，当阻力存在时，这种碰撞会改变共振发生的速度，这意味着当快离子和等离子体波的速度相差很小时，能量交换实际上是最有效的。共振功能的作用在这项研究中，研究人员用一种名为共振函数的数学对象来描述波粒相互作用强度的特征，共振函数取决于波速和粒速之间的差值。当阻力碰撞比扩散碰撞发生得更频繁时，就会出现更奇特的现象在全新的速度下，有效的能量传递成为可能。这种现象实际上产生了新的共振，而在没有阻力的情况下，这种共振是根本不存在的，表现为共振函数中出现新的峰值，并扩大了共振相互作用的范围。完全从理论上推导出的共振函数决定了从共振快离子中获取自由能后波浪会变得有多大，也决定了这些粒子会如何被波浪踢来踢去。非线性计算机模拟结果与理论预测非常吻合，证实了推导出的共振函数对这两种碰撞的任何组合都是有效的，并加深了我们对碰撞如何影响等离子体中共振波与粒子相互作用的基本理解。基本理论得到验证后，现在可以放心地将其用于改进用于模拟快速离子在聚变装置中的行为的代码，这是开发商业聚变发电厂道路上的关键一步。编译自/ScitechDaily ... PC版： 手机版：

中核集团：中国掌握可控核聚变高约束先进控制技术

中核集团：中国掌握可控核聚变高约束先进控制技术 8月25日下午，新一代人造太阳“中国环流三号”取得重大科研进展，首次实现100万安培等离子体电流下的高约束模式运行，再次刷新我国磁约束聚变装置运行纪录，突破了等离子体大电流高约束模式运行控制、高功率加热系统注入耦合、先进偏滤器位形控制等关键技术难题，是我国核聚变能开发进程中的重要里程碑，标志着我国磁约束核聚变研究向高性能聚变等离子体运行迈出重要一步。  为实现聚变能源，需要提升等离子体综合参数至聚变点火条件。磁约束核聚变中的高约束模式（H模）是一种典型的先进运行模式，被选为正在建造的国际热核聚变试验堆（ITER）的标准运行模式，能够有效提升等离子体整体约束性能，提升未来聚变堆的经济性，相较于普通的运行模式，其等离子体综合参数可提升数倍。

日本古代艺术Kintsugi（金继）为下一代聚变反应堆的技术突破带来灵感

日本古代艺术Kintsugi（金继）为下一代聚变反应堆的技术突破带来灵感 "这就是这项工作的特别之处，这种方法可以保持高性能等离子体，同时控制等离子体核心和边缘的不稳定性。这种同时控制尤为重要，也很难做到。"美国能源部（DOE）普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的约瑟夫-斯奈普斯（Joseph Snipes）说，他是普林斯顿等离子体物理实验室托卡马克实验科学部副主任，也是论文的共同作者之一。PPPL物理学家Seong-Moo Yang领导的研究团队横跨美国和韩国的多个机构。杨说，这是首次有研究团队验证了一种系统的方法来调整磁场缺陷，使等离子体适合用作电源。这些磁场缺陷被称为误差场。"我们的新方法能确定最佳误差场校正，从而提高等离子体的稳定性，"Yang说。"事实证明，这种方法能在不同的等离子体条件下增强等离子体的稳定性，例如，当等离子体处于高磁约束和低磁约束条件下时。Yang 在 DOE 的国家研究 SLAM 上介绍研究成果。难以纠正的错误误差场通常是由容纳等离子体的装置（称为托卡马克）的磁线圈中的微小缺陷造成的。到目前为止，误差场只被视为一种麻烦，因为即使是非常小的误差场也会导致等离子体中断，从而停止聚变反应，并可能损坏聚变容器的内壁。因此，核聚变研究人员花费了大量的时间和精力，精心寻找纠正误差场的方法。Yang说："要消除现有的误差场是相当困难的，因此我们可以在核聚变容器周围施加额外的磁场，而不是修复这些线圈的不规则性，这一过程被称为误差场校正。"过去，这种方法也会伤害等离子体的核心，使等离子体不适合用于聚变发电。这次，研究人员能够消除等离子体边缘的不稳定性，并保持核心的稳定性。这项研究是 PPPL 研究人员如何缩小当今核聚变技术与将核聚变发电引入电网所需技术之间差距的最好例证。"这实际上是打破系统对称性的一种非常有效的方法，因此人类可以有意降低封闭性。这就好比在气球上开一个很小的洞，这样气球就不会爆炸了，"PPPL 的研究人员兼论文合著者 SangKyeun Kim 说。正如空气会从气球上的小孔漏出一样，误差场也会漏出极少量的等离子体，这有助于保持其整体稳定性。同时管理等离子体的核心和边缘管理核聚变反应最困难的部分之一是让等离子体的核心和边缘同时表现良好。这两个区域的等离子体温度和密度都有理想的区域，要达到这些目标，同时消除不稳定性是非常困难的。这项研究证明，调整误差场可以同时稳定等离子体的核心和边缘。通过仔细控制托卡马克线圈产生的磁场，研究人员可以抑制边缘不稳定性（也称为边缘局部模态（ELM）），而不会造成混乱或严重的约束损失。论文作者、PPPL 职员研究物理学家胡启明说："我们正在努力保护该设备。"将研究扩展到 KSTAR 之外这项研究是利用韩国的 KSTAR 托卡马克进行的，该托卡马克能够非常灵活地调整其磁场误差配置。这种能力对于试验不同的误差场配置以找到稳定等离子体的最有效配置至关重要。研究人员说，他们的方法对未来托卡马克核聚变试验装置的设计具有重大意义，有可能使其更加高效和可靠。他们目前正在开发人工智能（AI）版本的控制系统，以使其更加高效。"这些模型相当复杂，计算起来需要一些时间。但当你想在实时控制系统中做一些事情时，你只能承受几毫秒的计算时间，"Snipes 说。"利用人工智能，你基本上可以教会系统该期待什么，并能够利用人工智能提前预测控制等离子体所需的条件以及如何实时实现这些条件。"虽然他们的新论文重点介绍了利用 KSTAR 内部磁线圈所做的工作，但 Hu 建议未来对聚变容器外的磁线圈进行研究将是非常有价值的，因为聚变界正在摒弃将此类线圈安置在真空密封容器内的想法，因为等离子体的极度高温可能会破坏此类组件。编译自:ScitechDaily ... PC版： 手机版：

火星一闪而过：脉冲等离子火箭未来有望改变太空旅行

火星一闪而过：脉冲等离子火箭未来有望改变太空旅行 豪氏工业公司设计的 PPR 脉冲等离子火箭凭借其强大的推力和比冲，未来有望改变太空探索的方式，从而加快火星任务的执行速度，并通过增强屏蔽实现安全运输。PPR 系统的简化图像。图片来源：Brianna Clements豪氏工业公司目前正在开发一种推进系统，可产生高达 100000 牛顿的推力，比冲（Isp）为 5000 秒。脉冲等离子火箭（PPR）最初源自脉冲裂变聚变概念，但更小、更简单、更经济实惠。PPR 性能卓越，兼具高 Isp 和大推力，有望彻底改变太空探索。该系统的高效率可使载人火星任务在短短两个月内完成。此外，PPR 还能运输更重的航天器，这些航天器配备了防护银河宇宙射线的屏蔽装置，从而将乘员受到的辐射降低到可以忽略不计的水平。该系统还可用于其他远距离任务，例如前往小行星带，甚至前往 550 AU 的位置，那里可以考虑太阳引力透镜的聚焦。PPR 实现了太空探索的全新时代。NIAC 第一阶段研究的重点是建造一艘大型重屏蔽飞船，将人类和货物运往火星，以开发火星基地。主要课题包括：评估系统的中子学，设计航天器、动力系统和必要的子系统，分析磁性喷嘴的能力，以及确定 PPR 的轨迹和效益。第二阶段将以这些评估为基础，进一步推进 PPR 概念。第二阶段计划：优化发动机设计，减轻质量，继续提高 Isp对主要组件进行概念验证实验完成人类火星屏蔽任务的飞船设计编译来源：ScitechDaily ... PC版： 手机版：

核聚变实验已经克服了两个关键障碍 达到“最佳点”

核聚变实验已经克服了两个关键障碍 达到“最佳点”  DIII-D托卡马克反应堆内部。图片来源：Rswilcox (CC BY-SA 4.0)目前，人们正在探索的实现核聚变发电的主要途径之一是使用托卡马克反应堆。这是一种“甜甜圈”形状的真空装置，外面环绕着磁线圈。它借助强大的磁场，将等离子体加热到数亿摄氏度的极高温度，甚至比太阳还热，以达到核聚变的目的。人们一直认为存在一个临界点，即格林沃尔德极限。如果试图提高燃料密度，超过这个临界点时，等离子体就会脱离磁场的约束，四散逃逸，从而可能损坏反应堆。而提高密度对提高产量至关重要，因为实验表明，托卡马克反应堆的产量与燃料密度的平方成正比。现在，美国通用原子能公司的Siye Ding和同事证明，有一种方法可以提高等离子体密度，且能够实现高约束稳态运行。利用这种方法，他们成功使DIII-D国家聚变设施托卡马克反应堆在平均密度比格林沃尔德极限高出20%的情况下，运行了2.2秒。虽然之前已经打破了这一“关卡”，但稳定性较差、持续时间较短，而且这次的关键指标是，能量约束增强因子H98(y,2)>1。英国贝尔法斯特女王大学的Gianluca Sarri解释说，H98(y,2)显示了磁场对等离子体的约束程度，数值为1或以上意味着等离子体被成功固定在适当的位置。“如果现在开始表现出某种稳态运行，就可以一直处于最佳状态。”Sarri说，“这次实验是在一台小型设备上完成的，如果把结果推广到更大的设备上，就可以在很长一段时间内提高功率、实现增益。”这次DIII-D实验依赖于多方法融合，这些方法本身并不新鲜，但融合起来似乎很有前景。DIII-D等离子体室的外半径只有1.6米，目前还不知道同样的方法是否适用于国际热核聚变实验反应堆（ITER）。这是法国正在建设的下一代托卡马克，半径将达到6.2米。“这次实验对未来的核聚变发电来说是个好兆头。”Ding说，“许多反应堆设计要求同时具有高约束和高密度。从实验上讲，这是第一次实现这一点。”Ding表示：“下一步耗资巨大，目前研究正在朝着许多不同的方向发展，我希望这篇论文有助于集中全球的努力。”相关论文信息： ... PC版： 手机版：