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，徐川和彭鴻禧聊著可控核聚變技術(shù)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(yùn)行時(shí)間推進(jìn)到四十五分鐘后，在這可控核聚變這條路上，就已經(jīng)沒有其他的前行者能給他們指引方向了。

無論是國內(nèi)的EAST也好，亦或者是國外的螺旋石7X也好，都不曾抵達(dá)這個(gè)高度。

現(xiàn)在的破曉聚變堆，可以說是在黑暗與混沌中摸索著前行。

聊著這些，彭鴻禧看向徐川問道：“說起來，破曉裝置現(xiàn)在運(yùn)行的是氦三和氫氣模擬，很快就會(huì)觸及到真正的氘氚聚變?！?p/> “在后續(xù)的氘氚聚變中，你準(zhǔn)備怎么解決托卡馬克裝置中最難的等離子體內(nèi)部電流磁面撕裂這些問題？”

在可控核聚變領(lǐng)域，不同的路線中都有著不同的實(shí)現(xiàn)方法和技術(shù)。

目前公認(rèn)最看好的是磁約束路線，不過這條路線有著托卡馬克、仿星器、反向場箍縮、串級(jí)磁鏡、球形環(huán)數(shù)種不同的實(shí)現(xiàn)方法。

這些不同的方法有著不同的優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。

比如托卡馬克裝置，它的技術(shù)簡單，成本較低；新古典輸運(yùn)低；且有著強(qiáng)的環(huán)形旋轉(zhuǎn)和相關(guān)的流動(dòng)切變以及對(duì)緯向流動(dòng)的較弱阻尼等優(yōu)點(diǎn)。

但對(duì)應(yīng)的，它的缺點(diǎn)也有。

比如等離子體電流的產(chǎn)生困難，運(yùn)行過程中等離子體內(nèi)部電流會(huì)出現(xiàn)磁面撕裂、扭曲摸、等離子體磁島等問題。

其實(shí)仿星器也一樣，優(yōu)點(diǎn)缺點(diǎn)都有。

它的優(yōu)點(diǎn)在于能夠更長時(shí)間的穩(wěn)態(tài)運(yùn)行，不存在產(chǎn)生等離子體電流、沒有磁面撕裂等問題；

但缺點(diǎn)是高水平的新古典傳輸，線圈和線圈支撐結(jié)構(gòu)的制造和組裝復(fù)雜等等。

這些缺點(diǎn)是通向可控核聚變這條道路的必經(jīng)難關(guān)，每一道都不亞于一個(gè)世界級(jí)難題。

而以破曉裝置的進(jìn)度，很快就會(huì)觸及到托卡馬克裝置最大的難關(guān)了。

那就是上氘氚原料開真正的聚變點(diǎn)火實(shí)驗(yàn)后，磁面撕裂、等離子體磁島這些問題該怎么解決。

老實(shí)說，他想不出什么太好的解決辦法。

別說他了，就是全世界目前都沒有什么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(huì)放棄更成熟的磁約束去搞慣性約束了，而歐洲那邊也不會(huì)更傾向于仿星器了。

不過眼前這個(gè)年輕人，或許有著獨(dú)特的思路能創(chuàng)造奇跡也說不定？

聽到這個(gè)問題，徐川思忖了一下，而后開口道：“老實(shí)說，要在某一條路線上全面解決這些難題，是相當(dāng)困難的事情?！?p/> “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?！?p/> “要解決這一塊問題，就我個(gè)人的看法來說，得從兩方面入手?！?p/> 聞言，彭鴻禧眼神中頓時(shí)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(shù)控模型！”

彭鴻禧迅速追問道：“怎么說？”

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于磁場的提供方式。”

“在托卡馬克中，螺旋磁場的旋轉(zhuǎn)變換，是由外部線圈產(chǎn)生的環(huán)形場以及等離子體電流產(chǎn)生的極向磁場共同形成的?！?p/> “這會(huì)導(dǎo)致環(huán)形場和極向磁場之間的沖突以及難以平衡等問題，在運(yùn)行過程中會(huì)造成磁面撕裂的問題?！?p/> “而仿星器在這方面就有著優(yōu)勢了，它的縱向磁場和極向磁場都完全由外部線圈提供，磁面撕裂并不會(huì)在里面形成?！?p/> “因此理論上它的運(yùn)行可以沒有等離子體電流，也可以避免很多由于電流分布帶來的不穩(wěn)定性，這是它的一個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)?！?p/> “我現(xiàn)在在考慮后續(xù)重新針對(duì)破曉裝置做一次改造，結(jié)合仿星器的優(yōu)點(diǎn)，重設(shè)破曉裝置的外場線圈，再結(jié)合球床的曲面優(yōu)點(diǎn)，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(zhuǎn)。”

就以徐川重生后的經(jīng)驗(yàn)來看，從2025年左右開始，各國其實(shí)就已經(jīng)逐漸開始放棄了單一型聚變裝置，轉(zhuǎn)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(huì)選擇和普林斯頓那邊的PPPL實(shí)驗(yàn)室合作，利用PPPL實(shí)驗(yàn)室的磁鏡控制技術(shù)來優(yōu)化仿星器的新古典傳輸。

亦或者國內(nèi)的研究的準(zhǔn)環(huán)對(duì)稱仿星器，也是在利用托卡馬克的技術(shù)來優(yōu)化仿星器。

不得不說，在超導(dǎo)材料應(yīng)用到可控核聚變技術(shù)上后，仿星器的優(yōu)勢和未來，其實(shí)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。

至于他為什么依舊選擇在托卡馬克裝置上走下去，最大的原因在于托卡馬克裝置的等離子體性能遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出仿星器。

沒錯(cuò)，目前來說，哪怕是最先進(jìn)的螺旋石7X，能創(chuàng)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(jí)別的而已。

托卡馬克裝置能輕松的實(shí)現(xiàn)億級(jí)溫度的等離子體高溫，但仿星器要做到億級(jí)溫度，得要了老命。

反正現(xiàn)在的仿星器是做不到的。

目前最先進(jìn)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(chuàng)造了五千萬度六分半的歷史記錄，但實(shí)際上達(dá)到這個(gè)溫度的只不過是電子溫度而已，它的等離子體溫度只達(dá)到2000萬度。

盡管2000萬度的溫度已經(jīng)達(dá)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(xiàn)象越容易發(fā)生，能提供的能量也就越高，這是毋庸置疑的。

當(dāng)然，這只是簡單的解釋。

事實(shí)上真正影響聚變效率的是反應(yīng)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?nèi)胤e，即反應(yīng)物質(zhì)密度，反應(yīng)溫度和約束時(shí)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，那么等離子體之間碰撞的概率越高。

就好比你在春運(yùn)期間被踩腳的概率遠(yuǎn)大于你平時(shí)坐火車被踩腳的概率，因?yàn)槿硕嗔耍?p/> 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(yùn)動(dòng)的劇烈程度，粒子越活躍那么碰撞發(fā)生聚變的可能性就越高。

同樣好比春運(yùn)，如果大家都安靜的坐著等車也不容易被踩腳。真正有風(fēng)險(xiǎn)的是大家都走起來上下火車的時(shí)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。

至于控制時(shí)間，那就不說。

而在這三重因素上，托卡馬克在前兩者占優(yōu)勢，仿星器在后者占優(yōu)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(dāng)然，仿星器的優(yōu)點(diǎn)還是很大的，對(duì)于磁場的控制優(yōu)點(diǎn)是托卡馬克裝置值得學(xué)習(xí)借鑒的地方。

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

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

慶幸的是，在重生回來后，他當(dāng)機(jī)立斷的選擇了主修數(shù)學(xué)，讓他擁有了足夠的數(shù)學(xué)能力去做這件事。

沙發(fā)上，彭鴻禧思索了一下，道：“所以你準(zhǔn)備參考仿星器的外場線圈來改進(jìn)破曉？”

徐川笑著點(diǎn)了點(diǎn)頭又搖了搖頭，起身從辦公室的角落中拖出來一塊黑板。

“對(duì)，不過那是外場線圈的改造，至于數(shù)學(xué)模型控制，我這邊也有點(diǎn)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：“什么掌眼不掌眼的，在可控核聚變這條路上，你走的比我遠(yuǎn)多了，能力也比我這個(gè)糟老頭更強(qiáng)?！?p/> 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(shù)學(xué)公式一邊說道：

“在托卡馬克中，自舉電流的擾動(dòng)可以激發(fā)新古典撕裂模式，自舉電流與壓力梯度成正比?！?p/> “當(dāng)磁島形成時(shí)，磁島內(nèi)的局部壓力梯度通過平行于磁力線通量管的傳輸而減小，這導(dǎo)致自舉電流的減小。所以在托卡馬克中，這種負(fù)電流擾動(dòng)會(huì)導(dǎo)致該島進(jìn)一步增長?！?p/> “而從之前的第一次點(diǎn)火運(yùn)行實(shí)驗(yàn)的數(shù)據(jù)中，我找到了一些有意思的東西，利用氦三和氫氣進(jìn)行模型運(yùn)行，其實(shí)也并非沒有出現(xiàn)磁面撕裂等現(xiàn)象，只不過要輕弱很多。”

“之前我分析了一下數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)高能量離子與2/1撕裂模共振相互作用激發(fā)2/1類魚骨模的激發(fā)機(jī)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(guān)系?！?p/> “而波和離子的共振關(guān)系數(shù)學(xué)上可以寫成：nωtpωpω0”

“如果考慮極向漂移軌道的高階修正，共振關(guān)系數(shù)學(xué)上就被修正為：ωt(ml)ωpω0”

“即copassingωtωpω、copassingωt2ωpω”

“而高能量離子分布中心拋射角Λ00.6，高能量離子比壓值βh0.35時(shí)，在PφE相空間內(nèi)磁矩μ0.554附近的擾動(dòng)分布函數(shù)δf”

辦公室中，徐川站在黑板前書寫著自己根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)整理出來的一些東西。

一旁，彭鴻禧也從沙發(fā)上起身走了過來，默默的看著黑板上的算式，聽著徐川的解說。

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(shí)點(diǎn)火中非常麻煩的問題。

甚至在整個(gè)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(yán)重度并不弱于第一壁材料、氚回收、中子輻射等問題。

因?yàn)楦吣芰侩x子的損失和再分布，會(huì)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(qū)碰到第一壁還會(huì)給等離子體引入雜質(zhì)，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(wěn)態(tài)長脈沖運(yùn)行的絆腳石。

這是托卡馬克自從提出來后就一直存在的問題。

仿星器之所以現(xiàn)在開始被各國重新看好，一方面的原因是超導(dǎo)材料發(fā)展解決了仿星器原本磁控不穩(wěn)定的問題后，就在于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(shí)現(xiàn)可控核聚變。

因?yàn)樗诘入x子體溫度的提升上有著巨大的優(yōu)勢。

只是，能做到嗎？

對(duì)于這個(gè)問題，老實(shí)說，彭鴻禧并不知道。

不過在今天的黑板上，他看到了一絲希望。

盡管現(xiàn)在他站在黑板前，聽著解說看著算式都有點(diǎn)跟不上節(jié)奏，只能大概的從一些話語中了解他的思路。

但科學(xué)發(fā)展有時(shí)候就是這樣，尤其是在數(shù)學(xué)上，一條思路是否可行，有時(shí)候第一眼的直覺是相當(dāng)準(zhǔn)確的。

“.從這些數(shù)據(jù)來看，通過改變高能量離子分布函數(shù)中中心拋射角參數(shù)Λ0來改變載入模擬系統(tǒng)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(fā)2/1類魚骨模的主要的共振關(guān)系是可行的?！?p/> “至于具體情況，恐怕就需要等到破曉裝置實(shí)現(xiàn)氘氚聚變實(shí)驗(yàn)后，收集到足夠的數(shù)據(jù)再來確認(rèn)了。”

黑板前，徐川將手中的粉筆頭扔回了粉筆盒，轉(zhuǎn)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(shù)據(jù)來看，撕裂模可以與高能量離子驅(qū)動(dòng)的阿爾芬模耦合產(chǎn)生新的物理現(xiàn)象，而大幅度的阿爾芬擾動(dòng)可以非線性地驅(qū)動(dòng)撕裂模重聯(lián)并且激發(fā)宏觀的磁島?！?p/> “所以，如何穩(wěn)定阿爾芬擾動(dòng)應(yīng)該就是你的主體思路了吧？”

聞言，徐川咧嘴笑了笑，點(diǎn)頭贊道：“沒錯(cuò)，彭老還是厲害！一眼就看透了核心想法?！?p/> “如果能在一定程度上抑制阿爾芬擾動(dòng)的出現(xiàn)度，理論上來說，磁面撕裂的現(xiàn)象會(huì)降低很多。這或許是一條解決磁面撕裂問題的辦法?！?p/> 聽到徐川的夸贊，彭鴻禧搖搖頭，道：“厲害啥啊，老了，真的老了。有你這么詳細(xì)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，他接著道：“我現(xiàn)在是愈發(fā)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(diǎn)亮。”

另外我想問問你們對(duì)于這種詳細(xì)解決可控核聚變的原理過程到底感興趣嗎？

如果不怎么感興趣，我后面就不寫這么多了，太詳細(xì)了我難得寫，你們估摸著也難得理解QAQ，還不如直接了當(dāng)?shù)穆赃^裝逼更爽？