在聚變研究領(lǐng)域，控制等離子體密度、溫度和加熱對(duì)于提高反應(yīng)堆性能至關(guān)重要。有效約束等離子體粒子和熱量，尤其是在發(fā)生聚變的核心處保持度和高溫度至關(guān)重要。在大型螺旋裝置 (LHD) *1中，挑戰(zhàn)依然存在，因?yàn)殡娮用芏确植纪ǔ１３制教股踔猎谥行奶幭陆?，這使得維持高中心密度的努力變得復(fù)雜。
結(jié)果
LHD 配備五個(gè)中性束 (NB) 注入器*3，用于等離子體加熱。注入器 NB#1 至 NB#3 以切向方式輸送光束，而 NB#4 和 NB#5 則以垂直方式注入光束(見圖 1)。盡管切向和垂直注入之間的功率比有所不同，但離子溫度分布保持不變。然而，圖 2 顯示了峰值(紅色和綠色)和平坦(藍(lán)色)電子密度分布的存在。
調(diào)整切向與垂直高能離子的比率會(huì)使速度分布*4從各向同性變?yōu)楦飨虍愋?。我們通過分析 NB#1 - NB#5 注入束功率的垂直和平行分量中儲(chǔ)存的能量比率(表示為 En⊥/En||)，探索了密度分布如何取決于這些高能離子的狀態(tài)*5(參見圖 3)。在 En ⊥ / En || = 0.3 至 0.8 范圍內(nèi)修改各向異性，結(jié)果表明 En ⊥ /En || < 0.4 導(dǎo)致平坦的電子密度分布，而 En ⊥ /En || > 0.4 導(dǎo)致中心峰值電子密度分布。隨后，通過外部注入碳并觀察離子行為來檢查碳離子的密度分布。在常規(guī)實(shí)驗(yàn)范圍 En ⊥ /En ||內(nèi)，分布中心凹陷< 0.4，但在新的實(shí)驗(yàn)范圍內(nèi)達(dá)到峰值，其中 En ⊥ /En || > 0.4。
這些發(fā)現(xiàn)表明，等離子體的流入/流出速率會(huì)隨著高能離子的存在而自發(fā)改變。使用模擬計(jì)算對(duì)高能離子的影響進(jìn)行了進(jìn)一步研究。首先，我們分析了等離子體核心徑向的電場(chǎng)，模擬值為 -5 kV/m，與重離子束探測(cè)器*6(圖 1 中所示的 HIBP)的測(cè)量值一致。雖然這種強(qiáng)度的電場(chǎng)不太可能對(duì)粒子流產(chǎn)生重大影響，但對(duì)湍流引起的粒子流入和流出進(jìn)行了進(jìn)一步分析*7。結(jié)果表明，湍流可能會(huì)影響峰值和平坦密度分布。
研究成果的意義及未來發(fā)展
此項(xiàng)發(fā)現(xiàn)闡明了利用高能離子的各向異性可以有效調(diào)節(jié)聚變等離子體約束區(qū)內(nèi)粒子流入和流出的方向和體積，從而使等離子體保持最佳狀態(tài)。未來必須明確其背后的新物理機(jī)制。然后我們將進(jìn)一步開展研究，為提高聚變反應(yīng)堆等離子體的性能、縮小聚變反應(yīng)堆的尺寸、提高能量輸出以及控制等離子體燃燒條件做出貢獻(xiàn)。
[詞匯表]
*1 大型螺旋裝置(LHD)：LHD 是世界上最大的螺旋超導(dǎo)等離子體實(shí)驗(yàn)裝置之一，位于日本岐阜縣土岐市的國(guó)家聚變科學(xué)研究所。
*2 高能離子：這些離子是在等離子體溫度達(dá)到約 1 億度的環(huán)境中由加熱光束產(chǎn)生的，其能量比周圍環(huán)境高出約 10 至 20 倍。
*3 中性束注入加熱系統(tǒng)：該系統(tǒng)使用高能、電中性的氫束加熱由電子和離子組成的等離子體。注入時(shí)，光束與等離子體粒子碰撞，有效提高等離子體溫度。
*4 速度分布：等離子體由帶正電和負(fù)電的粒子組成。這些受磁場(chǎng)約束的粒子在沿磁場(chǎng)線旋轉(zhuǎn)時(shí)表現(xiàn)出獨(dú)特的運(yùn)動(dòng)，在平行和垂直于磁場(chǎng)線的方向上的運(yùn)動(dòng)有所不同。當(dāng)粒子速度在給定空間位置處平行和垂直于磁場(chǎng)線都是均勻的時(shí)，等離子體內(nèi)的速度分布被稱為各向同性。相反，當(dāng)使用切向排列的中性束注入器 NB#1 至 NB#3 時(shí)，它們會(huì)誘導(dǎo)出一組速度與磁場(chǎng)線平行的粒子，如圖 (b) 所示，這種分布被稱為各向異性。相反，當(dāng)激活垂直排列的 NB#4 和 NB#5 時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生一組速度與磁場(chǎng)線垂直的粒子，如圖 (c) 所示。
*5 高能離子狀態(tài)：通過調(diào)整粒子速度與磁場(chǎng)線垂直和平行的分布比例，離子可以在各向同性和各向異性狀態(tài)之間切換。本實(shí)驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注改變各向異性狀態(tài)。
*6 重離子束探測(cè)器(HIBP)：HIBP采用金離子束，用于測(cè)量等離子體內(nèi)的電位，提供關(guān)鍵的診斷信息。
*7 湍流：在等離子體密度和溫度不均勻的情況下，會(huì)產(chǎn)生湍流。這會(huì)導(dǎo)致等離子體波的增長(zhǎng)，從而形成流動(dòng)和渦流，通常在高溫下表現(xiàn)為不規(guī)則和湍流運(yùn)動(dòng)。
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