大國院士 第三百八十一章：解決托卡馬克磁面撕裂問題的思路

    另一邊，辦公室中，徐川和彭鴻禧聊着可控核聚變技術中的那些難題。

    在破曉聚變裝置將高密度等離子體磁約束運行時間推進到四十五分鐘後，在這可控核聚變這條路上，就已經沒有其他的前行者能給他們指引方向了。

    無論是國內的EAST也好，亦或者是國外的螺旋石7X也好，都不曾抵達這個高度。

    現在的破曉聚變堆，可以說是在黑暗與混沌中摸索着前行。

    聊着這些，彭鴻禧看向徐川問道：「說起來，破曉裝置現在運行的是氦三和氫氣模擬，很快就會觸及到真正的氘氚聚變。」

    「在後續的氘氚聚變中，你準備怎麼解決托卡馬克裝置中最難的等離子體內部電流磁面撕裂這些問題？」

    在可控核聚變領域，不同的路線中都有着不同的實現方法和技術。

    目前公認最看好的是磁約束路線，不過這條路線有着托卡馬克、仿星器、反向場箍縮、串級磁鏡、球形環數種不同的實現方法。

    這些不同的方法有着不同的優點和缺點。

    比如托卡馬克裝置，它的技術簡單，成本較低；新古典輸運低；且有着強的環形旋轉和相關的流動切變以及對緯向流動的較弱阻尼等優點。

    但對應的，它的缺點也有。

    比如等離子體電流的產生困難，運行過程中等離子體內部電流會出現磁面撕裂、扭曲摸、等離子體磁島等問題。

    其實仿星器也一樣，優點缺點都有。

    它的優點在於能夠更長時間的穩態運行，不存在產生等離子體電流、沒有磁面撕裂等問題；

    但缺點是高水平的新古典傳輸，線圈和線圈支撐結構的製造和組裝複雜等等。

    這些缺點是通向可控核聚變這條道路的必經難關，每一道都不亞於一個世界級難題。

    而以破曉裝置的進度，很快就會觸及到托卡馬克裝置最大的難關了。

    那就是上氘氚原料開真正的聚變點火實驗後，磁面撕裂、等離子體磁島這些問題該怎麼解決。

    老實說，他想不出什麼太好的解決辦法。

    別說他了，就是全世界目前都沒有什麼太好的辦法解決托卡馬克裝置中的磁面撕裂、等離子體孤島等問題。

    要是能解決，米國也不會放棄更成熟的磁約束去搞慣性約束了，而歐洲那邊也不會更傾向於仿星器了。

    不過眼前這個年輕人，或許有着獨特的思路能創造奇蹟也說不定？

    聽到這個問題，徐川思忖了一下，而後開口道：「老實說，要在某一條路線上全面解決這些難題，是相當困難的事情。」

    「磁面撕裂、等離子體孤島等問題是托卡馬克裝置與類托卡馬克裝置最大的問題之一。」

    「要解決這一塊問題，就我個人的看法來說，得從兩方面入手。」

    聞言，彭鴻禧眼神中頓時流露出感興趣的神色，好奇的問道：「哪兩方面？」

    徐川：「外場線圈和數控模型！」

    彭鴻禧迅速追問道：「怎麼說？」

    思索了一下，徐川開口道：「眾所周知，托卡馬克裝置中的磁面撕裂、等離子體磁孤島等問題主要來源於磁場的提供方式。」

    「在托卡馬克中，螺旋磁場的旋轉變換，是由外部線圈產生的環形場以及等離子體電流產生的極向磁場共同形成的。」

    「這會導致環形場和極向磁場之間的衝突以及難以平衡等問題，在運行過程中會造成磁面撕裂的問題。」

    「而仿星器在這方面就有着優勢了，它的縱向磁場和極向磁場都完全由外部線圈提供，磁面撕裂並不會在裏面形成。」

    「因此理論上它的運行可以沒有等離子體電流，也可以避免很多由於電流分佈帶來的不穩定性，這是它的一個主要優點。」

    「我現在在考慮後續重新針對破曉裝置做一次改造，結合仿星器的優點，重設破曉裝置的外場線圈，再結合球床的曲面優點，來盡力降低極向等離子體電流提供的磁場，做到利用外場線圈來同步控制和旋轉。」

    就以徐川重生後的經驗來看，從2025年左右開始，各國其實就已經逐漸開始放棄了單一型聚變裝置，轉而開始研究融合型。

    比如普朗克等離子體研究所，螺旋石7X會選擇和普林斯頓那邊的PPPL實驗室合作，利用PPPL實驗室的磁鏡控制技術來優化仿星器的新古典傳輸。

    亦或者國內的研究的准環對稱仿星器，也是在利用托卡馬克的技術來優化仿星器。

    不得不說，在超導材料應用到可控核聚變技術上後，仿星器的優勢和未來，其實是比托卡馬克裝置要大的。

    仿星器需要解決的問題，也比托卡馬克裝置要少。

    至於他為什麼依舊選擇在托卡馬克裝置上走下去，最大的原因在於托卡馬克裝置的等離子體性能遠遠超出仿星器。

    沒錯，目前來說，哪怕是最先進的螺旋石7X，能創造的等離子體性能放到托卡馬克裝置上來說，也不過是普通中等級別的而已。

    托卡馬克裝置能輕鬆的實現億級溫度的等離子體高溫，但仿星器要做到億級溫度，得要了老命。

    反正現在的仿星器是做不到的。

    目前最先進的仿星器，是普朗克等離子體研究所的『螺旋石7X』。

    雖然在之前創造了五千萬度六分半的歷史記錄，但實際上達到這個溫度的只不過是電子溫度而已，它的等離子體溫度只達到2000萬度。

    儘管2000萬度的溫度已經達到了氘氚聚變的最低溫度1400萬度以上，但在可控核聚變中，溫度越高，聚變現象越容易發生，能提供的能量也就越高，這是毋庸置疑的。

    當然，這只是簡單的解釋。

    事實上真正影響聚變效率的是反應截面，也就是等離子體中帶正電原子核之間互相碰撞的概率。

    而影響碰撞概率的因素就是聚變三重積，即反應物質密度，反應溫度和約束時間的乘積。

    這三重因素越大，聚變的可能性就越大。

    比如等離子體密度越大，那麼等離子體之間碰撞的概率越高。

    就好比你在春運期間被踩腳的概率遠大於你平時坐火車被踩腳的概率，因為人多了；

    而等離子體溫度越高，代表等離子體的活躍度越高。

    畢竟溫度本身反映的就是粒子運動的劇烈程度，粒子越活躍那麼碰撞發生聚變的可能性就越高。

    同樣好比春運，如果大家都安靜的坐着等車也不容易被踩腳。真正有風險的是大家都走起來上下火車的時候，踩到腳的概率就大了。

    提高溫度就是讓粒子都活躍起來，粒子就像人群一樣，一活躍就容易碰撞在一起。

    至於控制時間，那就不說。

    而在這三重因素上，托卡馬克在前兩者佔優勢，仿星器在後者佔優勢。

    這也是徐川選擇從類托卡馬克裝置入手，而不是從仿星器入手的原因之一。

    當然，仿星器的優點還是很大的，對於磁場的控制優點是托卡馬克裝置值得學習借鑑的地方。

    他準備利用這一點，從這方面入手修改一下破曉的外場線圈，來優化托卡馬克裝置中的磁面撕裂、等離子體孤島等問題。

    至於控制模型，如果說前面破曉外場線圈的重設問題還可以交給其他研究員一起合作的話，後面這個，大抵就只能他自己親自出手了。

    慶幸的是，在重生回來後，他當機立斷的選擇了主修數學，讓他擁有了足夠的數學能力去做這件事。

    沙發上，彭鴻禧思索了一下，道：「所以你準備參考仿星器的外場線圈來改進破曉？」

    徐川笑着點了點頭又搖了搖頭，起身從辦公室的角落中拖出來一塊黑板。

    「對，不過那是外場線圈的改造，至於數學模型控制，我這邊也有點思路，正好今年您老在，幫忙掌眼看看？」

    彭鴻禧站起身，走了過來道：「什麼掌眼不掌眼的，在可控核聚變這條路上，你走的比我遠多了，能力也比我這個糟老頭更強。」

    徐川笑了笑，從掛在黑板邊上的粉筆盒中抽出了一支白色的粉筆，一邊在黑板上寫數學公式一邊說道：

    「在托卡馬克中，自舉電流的擾動可以激發新古典撕裂模式，自舉電流與壓力梯度成正比。」

    「當磁島形成時，磁島內的局部壓力梯度通過平行於磁力線通量管的傳輸而減小，這導致自舉電流的減小。所以在托卡馬克中，這種負電流擾動會導致該島進一步增長。」

    「而從之前的第一次點火運行實驗的數據中，我找到了一些有意思的東西，利用氦三和氫氣進行模型運行，其實也並非沒有出現磁面撕裂等現象，只不過要輕弱很多。」

    「之前我分析了一下數據，發現高能量離子與2/1撕裂模共振相互作用激發2/1類魚骨模的激發機制，給出可以解釋相空間中主要波和高能量離子能量交換的共振關係。」

    「而波和離子的共振關系數學上可以寫成：nωt+pωp-ω=0」

    「如果考慮極向漂移軌道的高階修正，共振關系數學上就被修正為：ωt+(m+l)ωp-ω=0」

    「即co-passingωt+ωp=ω、co-passingωt+2ωp=ω」

    「而高能量離子分佈中心拋射角Λ0=0.6，高能量離子比壓值βh=0.35%時，在Pφ-E相空間內磁矩μ=0.554附近的擾動分佈函數δf」

    「.」

    辦公室中，徐川站在黑板前書寫着自己根據實驗數據整理出來的一些東西。

    一旁，彭鴻禧也從沙發上起身走了過來，默默的看着黑板上的算式，聽着徐川的解說。

    在托卡馬克裝置中，磁面撕裂、電磁孤島、等離子體孤島等問題是氘氚真實點火中非常麻煩的問題。

    甚至在整個可控核聚變中遇到的各種問題中，它也是最麻煩的問題之一。

    嚴重度並不弱於第一壁材料、氚回收、中子輻射等問題。

    因為高能量離子的損失和再分佈，會直接影響芯部高能量離子的密度，影響聚變效率。

    其次，高能量離子逃出約束區碰到第一壁還會給等離子體引入雜質，降低高能量離子的加熱效率，直接影響未來聚變堆中等離子體性能，成為穩態長脈衝運行的絆腳石。

    這是托卡馬克自從提出來後就一直存在的問題。

    仿星器之所以現在開始被各國重新看好，一方面的原因是超導材料發展解決了仿星器原本磁控不穩定的問題後，就在於它沒有托卡馬克的磁面撕裂、等離子體磁孤島等問題，更適合控制。

    但如果能解決磁面撕裂、等離子體磁孤島等問題，毫無疑問，托卡馬克比仿星器更適合實現可控核聚變。

    因為它在等離子體溫度的提升上有着巨大的優勢。

    只是，能做到嗎？

    對於這個問題，老實說，彭鴻禧並不知道。

    不過在今天的黑板上，他看到了一絲希望。

    儘管現在他站在黑板前，聽着解說看着算式都有點跟不上節奏，只能大概的從一些話語中了解他的思路。

    但科學發展有時候就是這樣，尤其是在數學上，一條思路是否可行，有時候第一眼的直覺是相當準確的。

    「.從這些數據來看，通過改變高能量離子分佈函數中中心拋射角參數Λ0來改變載入模擬系統中的高能量離子種類及其份額大小，解釋高能量離子與2/1撕裂模共振相互作用激發2/1類魚骨模的主要的共振關係是可行的。」

    「至於具體情況，恐怕就需要等到破曉裝置實現氘氚聚變實驗後，收集到足夠的數據再來確認了。」

    黑板前，徐川將手中的粉筆頭扔回了粉筆盒，轉頭看向彭鴻禧。

    老人沒有立刻回答，他思索了半響，才眼神熠熠的開口道：「從你的分析和數據來看，撕裂模可以與高能量離子驅動的阿爾芬模耦合產生新的物理現象，而大幅度的阿爾芬擾動可以非線性地驅動撕裂模重聯並且激發宏觀的磁島。」

    「所以，如何穩定阿爾芬擾動應該就是你的主體思路了吧？」

    聞言，徐川咧嘴笑了笑，點頭贊道：「沒錯，彭老還是厲害！一眼就看透了核心想法。」

    「如果能在一定程度上抑制阿爾芬擾動的出現度，理論上來說，磁面撕裂的現象會降低很多。這或許是一條解決磁面撕裂問題的辦法。」

    聽到徐川的誇讚，彭鴻禧搖搖頭，道：「厲害啥啊，老了，真的老了。有你這麼詳細的解釋，我都要想半天才能弄明白。」

    「不過從你說的來看，這或許的確可行。」

    頓了頓，他接着道：「我現在是愈發期待了啊，有你在，說不定在有生之年我真的能看到可控核聚變的火花點亮。」

    PS：今天很卡文，先就這一章吧。

    另外我想問問你們對於這種詳細解決可控核聚變的原理過程到底感興趣嗎？

    如果不怎麼感興趣，我後面就不寫這麼多了，太詳細了我難得寫，你們估摸着也難得理解QAQ，還不如直接了當的略過裝逼更爽？

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