聚變能發(fā)展面臨的主要挑戰(zhàn)是維持超熱等離子體，其使用超導(dǎo)磁線圈以穩(wěn)定狀態(tài)或可持續(xù)形式促進聚變反應(yīng)，以避免銅線圈的巨大功率需求。雖然超導(dǎo)體可以允許聚變反應(yīng)堆無限期地運行，但是用超導(dǎo)體控制等離子體是一個挑戰(zhàn)，因為與不具有相同約束的銅線圈相比，工程約束限制了這種磁線圈可以調(diào)節(jié)的速度。

這些超導(dǎo)線圈的響應(yīng)時間較慢會產(chǎn)生問題。較慢的速度使得難以以產(chǎn)生聚變功率所需的大等離子體積或延長的垂直高度來操作穩(wěn)定的放電。在當(dāng)前的超導(dǎo)設(shè)備中探索這個問題對ITER來說特別有用，ITER是法國正在建設(shè)的國際聚變試驗，將于2025年投入運行。

挑戰(zhàn)的前沿

在這一控制挑戰(zhàn)的最前沿是韓國超導(dǎo)托卡馬克先進研究(KSTAR)設(shè)備，它是世界上最大的超導(dǎo)托卡馬克之一。它的超導(dǎo)體由鈮和錫制成，與ITER計劃使用的導(dǎo)體相同。

由美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的物理學(xué)家Dennis Mueller領(lǐng)導(dǎo)的美國和韓國研究人員團隊現(xiàn)在已經(jīng)大大提高了KSTAR中細(xì)長等離子體的穩(wěn)定性，為如何解決這個問題樹立了榜樣ITER等其他超導(dǎo)設(shè)備中的類似問題。今年夏天由Mueller和來自韓國國家聚變研究所(NFRI)和圣地亞哥通用原子公司的物理學(xué)家展示了成功的控制方法，多年來一直致力于控制垂直不穩(wěn)定性，這使得等離子體能夠反彈并且在11英尺高的真空容器中。

“隨著等離子體越來越高，它已經(jīng)遠離穩(wěn)定運行，”穆勒10月份在第 59 屆美國物理學(xué)會等離子體物理學(xué)會年會上說。“新的校正方法通過穩(wěn)定等離子體的垂直中心來阻止等離子體上下彈跳。垂直不穩(wěn)定的控制使得KSTAR中的等離子體比原始設(shè)計規(guī)格更高。”

改裝電子產(chǎn)品

修復(fù)的關(guān)鍵是用于檢測等離子體磁場和等離子體運動和位置的傳感器的改進電子設(shè)備。修改后的傳感器快速發(fā)送控制信號，該控制信號可以提供垂直位置的反饋。反饋使用容器內(nèi)垂直控制線圈(IVC)來推回垂直位置的變化并防止等離子體的終止。“使用改進的傳感器信號對控制系統(tǒng)運行良好至關(guān)重要，”穆勒說。

新的磁傳感器需要團隊努力來開發(fā)和優(yōu)化。提供電子產(chǎn)品的是KSTAR研究人員Jun Gyo Bak和Heungsu Kim。領(lǐng)導(dǎo)這項工作的是穆勒和KSTAR的Sang-hee Hahn。

除傳感器改進外，General Atomics的Nicholas Eidietis開發(fā)了一種控制系統(tǒng)，可區(qū)分傳感器信號的快速和慢速變化，并指導(dǎo)不同的線圈響應(yīng)不同時間尺度的等離子體運動。這種國際團隊合作的最終結(jié)果是一個控制系統(tǒng)，可以有效地響應(yīng)等離子體的運動，從而可以使用超過KSTAR設(shè)計要求的更高等離子體進行操作。美國能源部科學(xué)辦公室(FES)支持這項協(xié)作工作。