大国院士 第三百八十一章：解决托卡马克磁面撕裂问题的思路

    另一边，办公室中，徐川和彭鸿禧聊着可控核聚变技术中的那些难题。

    在破晓聚变装置将高密度等离子体磁约束运行时间推进到四十五分钟后，在这可控核聚变这条路上，就已经没有其他的前行者能给他们指引方向了。

    无论是国内的EAST也好，亦或者是国外的螺旋石7X也好，都不曾抵达这个高度。

    现在的破晓聚变堆，可以说是在黑暗与混沌中摸索着前行。

    聊着这些，彭鸿禧看向徐川问道：“说起来，破晓装置现在运行的是氦三和氢气模拟，很快就会触及到真正的氘氚聚变。”

    “在后续的氘氚聚变中，你准备怎么解决托卡马克装置中最难的等离子体内部电流磁面撕裂这些问题？”

    在可控核聚变领域，不同的路线中都有着不同的实现方法和技术。

    目前公认最看好的是磁约束路线，不过这条路线有着托卡马克、仿星器、反向场箍缩、串级磁镜、球形环数种不同的实现方法。

    这些不同的方法有着不同的优点和缺点。

    比如托卡马克装置，它的技术简单，成本较低；新古典输运低；且有着强的环形旋转和相关的流动切变以及对纬向流动的较弱阻尼等优点。

    但对应的，它的缺点也有。

    比如等离子体电流的产生困难，运行过程中等离子体内部电流会出现磁面撕裂、扭曲摸、等离子体磁岛等问题。

    其实仿星器也一样，优点缺点都有。

    它的优点在于能够更长时间的稳态运行，不存在产生等离子体电流、没有磁面撕裂等问题；

    但缺点是高水平的新古典传输，线圈和线圈支撑结构的制造和组装复杂等等。

    这些缺点是通向可控核聚变这条道路的必经难关，每一道都不亚于一个世界级难题。

    而以破晓装置的进度，很快就会触及到托卡马克装置最大的难关了。

    那就是上氘氚原料开真正的聚变点火实验后，磁面撕裂、等离子体磁岛这些问题该怎么解决。

    老实说，他想不出什么太好的解决办法。

    别说他了，就是全世界目前都没有什么太好的办法解决托卡马克装置中的磁面撕裂、等离子体孤岛等问题。

    要是能解决，米国也不会放弃更成熟的磁约束去搞惯性约束了，而欧洲那边也不会更倾向于仿星器了。

    不过眼前这个年轻人，或许有着独特的思路能创造奇迹也说不定？

    听到这个问题，徐川思忖了一下，而后开口道：“老实说，要在某一条路线上全面解决这些难题，是相当困难的事情。”

    “磁面撕裂、等离子体孤岛等问题是托卡马克装置与类托卡马克装置最大的问题之一。”

    “要解决这一块问题，就我个人的看法来说，得从两方面入手。”

    闻言，彭鸿禧眼神中顿时流露出感兴趣的神色，好奇的问道：“哪两方面？”

    徐川：“外场线圈和数控模型！”

    彭鸿禧迅速追问道：“怎么说？”

    思索了一下，徐川开口道：“众所周知，托卡马克装置中的磁面撕裂、等离子体磁孤岛等问题主要来源于磁场的提供方式。”

    “在托卡马克中，螺旋磁场的旋转变换，是由外部线圈产生的环形场以及等离子体电流产生的极向磁场共同形成的。”

    “这会导致环形场和极向磁场之间的冲突以及难以平衡等问题，在运行过程中会造成磁面撕裂的问题。”

    “而仿星器在这方面就有着优势了，它的纵向磁场和极向磁场都完全由外部线圈提供，磁面撕裂并不会在里面形成。”

    “因此理论上它的运行可以没有等离子体电流，也可以避免很多由于电流分布带来的不稳定性，这是它的一个主要优点。”

    “我现在在考虑后续重新针对破晓装置做一次改造，结合仿星器的优点，重设破晓装置的外场线圈，再结合球床的曲面优点，来尽力降低极向等离子体电流提供的磁场，做到利用外场线圈来同步控制和旋转。”

    就以徐川重生后的经验来看，从2025年左右开始，各国其实就已经逐渐开始放弃了单一型聚变装置，转而开始研究融合型。

    比如普朗克等离子体研究所，螺旋石7X会选择和普林斯顿那边的PPPL实验室合作，利用PPPL实验室的磁镜控制技术来优化仿星器的新古典传输。

    亦或者国内的研究的准环对称仿星器，也是在利用托卡马克的技术来优化仿星器。

    不得不说，在超导材料应用到可控核聚变技术上后，仿星器的优势和未来，其实是比托卡马克装置要大的。

    仿星器需要解决的问题，也比托卡马克装置要少。

    至于他为什么依旧选择在托卡马克装置上走下去，最大的原因在于托卡马克装置的等离子体性能远远超出仿星器。

    没错，目前来说，哪怕是最先进的螺旋石7X，能创造的等离子体性能放到托卡马克装置上来说，也不过是普通中等级别的而已。

    托卡马克装置能轻松的实现亿级温度的等离子体高温，但仿星器要做到亿级温度，得要了老命。

    反正现在的仿星器是做不到的。

    目前最先进的仿星器，是普朗克等离子体研究所的‘螺旋石7X’。

    虽然在之前创造了五千万度六分半的历史记录，但实际上达到这个温度的只不过是电子温度而已，它的等离子体温度只达到2000万度。

    尽管2000万度的温度已经达到了氘氚聚变的最低温度1400万度以上，但在可控核聚变中，温度越高，聚变现象越容易发生，能提供的能量也就越高，这是毋庸置疑的。

    当然，这只是简单的解释。

    事实上真正影响聚变效率的是反应截面，也就是等离子体中带正电原子核之间互相碰撞的概率。

    而影响碰撞概率的因素就是聚变三重积，即反应物质密度，反应温度和约束时间的乘积。

    这三重因素越大，聚变的可能性就越大。

    比如等离子体密度越大，那么等离子体之间碰撞的概率越高。

    就好比你在春运期间被踩脚的概率远大于你平时坐火车被踩脚的概率，因为人多了；

    而等离子体温度越高，代表等离子体的活跃度越高。

    毕竟温度本身反映的就是粒子运动的剧烈程度，粒子越活跃那么碰撞发生聚变的可能性就越高。

    同样好比春运，如果大家都安静的坐着等车也不容易被踩脚。真正有风险的是大家都走起来上下火车的时候，踩到脚的概率就大了。

    提高温度就是让粒子都活跃起来，粒子就像人群一样，一活跃就容易碰撞在一起。

    至于控制时间，那就不说。

    而在这三重因素上，托卡马克在前两者占优势，仿星器在后者占优势。

    这也是徐川选择从类托卡马克装置入手，而不是从仿星器入手的原因之一。

    当然，仿星器的优点还是很大的，对于磁场的控制优点是托卡马克装置值得学习借鉴的地方。

    他准备利用这一点，从这方面入手修改一下破晓的外场线圈，来优化托卡马克装置中的磁面撕裂、等离子体孤岛等问题。

    至于控制模型，如果说前面破晓外场线圈的重设问题还可以交给其他研究员一起合作的话，后面这个，大抵就只能他自己亲自出手了。

    庆幸的是，在重生回来后，他当机立断的选择了主修数学，让他拥有了足够的数学能力去做这件事。

    沙发上，彭鸿禧思索了一下，道：“所以你准备参考仿星器的外场线圈来改进破晓？”

    徐川笑着点了点头又摇了摇头，起身从办公室的角落中拖出来一块黑板。

    “对，不过那是外场线圈的改造，至于数学模型控制，我这边也有点思路，正好今年您老在，帮忙掌眼看看？”

    彭鸿禧站起身，走了过来道：“什么掌眼不掌眼的，在可控核聚变这条路上，你走的比我远多了，能力也比我这个糟老头更强。”

    徐川笑了笑，从挂在黑板边上的粉笔盒中抽出了一支白色的粉笔，一边在黑板上写数学公式一边说道：

    “在托卡马克中，自举电流的扰动可以激发新古典撕裂模式，自举电流与压力梯度成正比。”

    “当磁岛形成时，磁岛内的局部压力梯度通过平行于磁力线通量管的传输而减小，这导致自举电流的减小。所以在托卡马克中，这种负电流扰动会导致该岛进一步增长。”

    “而从之前的第一次点火运行实验的数据中，我找到了一些有意思的东西，利用氦三和氢气进行模型运行，其实也并非没有出现磁面撕裂等现象，只不过要轻弱很多。”

    “之前我分析了一下数据，发现高能量离子与2/1撕裂模共振相互作用激发2/1类鱼骨模的激发机制，给出可以解释相空间中主要波和高能量离子能量交换的共振关系。”

    “而波和离子的共振关系数学上可以写成：nωt+pωp-ω=0”

    “如果考虑极向漂移轨道的高阶修正，共振关系数学上就被修正为：ωt+(m+l)ωp-ω=0”

    “即co-passingωt+ωp=ω、co-passingωt+2ωp=ω”

    “而高能量离子分布中心抛射角Λ0=0.6，高能量离子比压值βh=0.35%时，在Pφ-E相空间内磁矩μ=0.554附近的扰动分布函数δf”

    “.”

    办公室中，徐川站在黑板前书写着自己根据实验数据整理出来的一些东西。

    一旁，彭鸿禧也从沙发上起身走了过来，默默的看着黑板上的算式，听着徐川的解说。

    在托卡马克装置中，磁面撕裂、电磁孤岛、等离子体孤岛等问题是氘氚真实点火中非常麻烦的问题。

    甚至在整个可控核聚变中遇到的各种问题中，它也是最麻烦的问题之一。

    严重度并不弱于第一壁材料、氚回收、中子辐射等问题。

    因为高能量离子的损失和再分布，会直接影响芯部高能量离子的密度，影响聚变效率。

    其次，高能量离子逃出约束区碰到第一壁还会给等离子体引入杂质，降低高能量离子的加热效率，直接影响未来聚变堆中等离子体性能，成为稳态长脉冲运行的绊脚石。

    这是托卡马克自从提出来后就一直存在的问题。

    仿星器之所以现在开始被各国重新看好，一方面的原因是超导材料发展解决了仿星器原本磁控不稳定的问题后，就在于它没有托卡马克的磁面撕裂、等离子体磁孤岛等问题，更适合控制。

    但如果能解决磁面撕裂、等离子体磁孤岛等问题，毫无疑问，托卡马克比仿星器更适合实现可控核聚变。

    因为它在等离子体温度的提升上有着巨大的优势。

    只是，能做到吗？

    对于这个问题，老实说，彭鸿禧并不知道。

    不过在今天的黑板上，他看到了一丝希望。

    尽管现在他站在黑板前，听着解说看着算式都有点跟不上节奏，只能大概的从一些话语中了解他的思路。

    但科学发展有时候就是这样，尤其是在数学上，一条思路是否可行，有时候第一眼的直觉是相当准确的。

    “.从这些数据来看，通过改变高能量离子分布函数中中心抛射角参数Λ0来改变载入模拟系统中的高能量离子种类及其份额大小，解释高能量离子与2/1撕裂模共振相互作用激发2/1类鱼骨模的主要的共振关系是可行的。”

    “至于具体情况，恐怕就需要等到破晓装置实现氘氚聚变实验后，收集到足够的数据再来确认了。”

    黑板前，徐川将手中的粉笔头扔回了粉笔盒，转头看向彭鸿禧。

    老人没有立刻回答，他思索了半响，才眼神熠熠的开口道：“从你的分析和数据来看，撕裂模可以与高能量离子驱动的阿尔芬模耦合产生新的物理现象，而大幅度的阿尔芬扰动可以非线性地驱动撕裂模重联并且激发宏观的磁岛。”

    “所以，如何稳定阿尔芬扰动应该就是你的主体思路了吧？”

    闻言，徐川咧嘴笑了笑，点头赞道：“没错，彭老还是厉害！一眼就看透了核心想法。”

    “如果能在一定程度上抑制阿尔芬扰动的出现度，理论上来说，磁面撕裂的现象会降低很多。这或许是一条解决磁面撕裂问题的办法。”

    听到徐川的夸赞，彭鸿禧摇摇头，道：“厉害啥啊，老了，真的老了。有你这么详细的解释，我都要想半天才能弄明白。”

    “不过从你说的来看，这或许的确可行。”

    顿了顿，他接着道：“我现在是愈发期待了啊，有你在，说不定在有生之年我真的能看到可控核聚变的火花点亮。”

    PS：今天很卡文，先就这一章吧。

    另外我想问问你们对于这种详细解决可控核聚变的原理过程到底感兴趣吗？

    如果不怎么感兴趣，我后面就不写这么多了，太详细了我难得写，你们估摸着也难得理解QAQ，还不如直接了当的略过装逼更爽？

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