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在日本的金继艺术中，艺术家将碗的碎片与黄金重新融合在一起，使最终产品比原来的更加美丽。普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的雷切尔·克雷曼 (Rachel Kremen) 写道，这个想法启发了一种管理等离子体(超热物质状态)作为电源的新方法。
科学家们正在利用磁场中限制反应的缺陷来改善和增强等离子体，其方法在 《自然通讯》杂志上的一篇 新论文中概述。
“这种方法可以让您保持高性能等离子体，同时控制等离子体核心和边缘的不稳定性。这种同时控制尤为重要且难以做到。这就是这项工作的特别之处，”美国能源部 (DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的 Joseph Snipes 说道。他是 PPPL 托卡马克实验科学部的副主任，也是该论文的合著者。
PPPL 物理学家 Seong-Moo Yang 领导的研究团队横跨美国和韩国的多个机构。杨说，这是研究团队首次验证一种系统方法，可以调整磁场缺陷，使等离子体适合用作电源。这些磁场缺陷称为误差场。
“我们的新方法确定了最佳误差场校正，增强了等离子体稳定性，”杨说。“这种方法被证明可以增强不同等离子体条件下的等离子体稳定性，例如，当等离子体处于高磁约束和低磁约束条件下时。”
难以纠正的错误
误差场通常是由容纳等离子体的设备(称为托卡马克)的磁线圈中的微小缺陷引起 的。到目前为止，误差场仅被视为一种麻烦，因为即使非常小的误差场也可能导致等离子体破裂，从而停止聚变反应并可能损坏聚变容器的壁。因此，融合研究人员花费了大量的时间和精力精心寻找纠正错误场的方法。
“消除现有的误差场非常困难，因此我们可以在称为误差场校正的过程中在聚变容器周围施加额外的磁场，而不是修复这些线圈不规则性，”杨说。
在过去，这种方法还会伤害等离子体的核心，使等离子体不适合用于聚变发电。这次，研究人员能够消除等离子体边缘的不稳定性并保持核心的稳定性。这项研究是 PPPL 研究人员如何弥合当今聚变技术与将聚变电力引入电网所需技术之间差距的一个典型例子。
“这实际上是打破系统对称性的一种非常有效的方法，因此人类可以故意降低限制。这就像在气球上打一个非常小的洞，这样它就不会爆炸，”PPPL 的研究科学家兼论文合著者 SangKyeun Kim 说。正如空气会从气球的小孔中泄漏出来一样，少量的等离子体也会从误差场中泄漏出来，这有助于保持其整体稳定性。
同时管理等离子体的核心和边缘
管理聚变反应最困难的部分之一是让等离子体的核心和边缘同时发挥作用。这两个区域的等离子体温度和密度都有理想的区域，要在消除不稳定性的同时达到这些目标是很困难的。
这项研究表明，调整误差场可以同时稳定等离子体的核心和边缘。通过仔细控制托卡马克线圈产生的磁场，研究人员可以抑制边缘不稳定性，也称为边缘局域模式(ELM)，而不会造成干扰或明显的限制损失。
“我们正在努力保护该设备，”该论文的作者、PPPL 研究物理学家胡启明说。
将研究扩展到 KSTAR 之外
这项研究是利用 韩国的KSTAR 托卡马克装置进行的，该装置因其能够灵活调整磁误差场配置而脱颖而出。这种能力对于试验不同的误差场配置以找到稳定等离子体的最有效的配置至关重要。
研究人员表示，他们的方法对未来托卡马克聚变试验装置的设计具有重大影响，有可能使它们更加高效和可靠。他们目前正在开发控制系统的人工智能 (AI) 版本，以提高其效率。
“这些模型相当复杂;他们需要一些时间来计算。但当你想在实时控制系统中做某事时，你只能花几毫秒的时间来进行计算，”Snipes 说。“使用人工智能，你基本上可以告诉系统会发生什么，并能够使用人工智能提前预测控制等离子体所需的内容以及如何实时实施它。”
虽然他们的新论文强调了使用 KSTAR 内部磁线圈所做的工作，但 Hu 表示，未来在聚变容器外部使用磁线圈的研究将是有价值的，因为聚变界正在放弃将此类线圈容纳在真空密封容器内的想法，因为等离子体的极热可能会破坏这些组件。
来自韩国聚变能源研究所 (KFE)、哥伦比亚大学和首尔国立大学的研究人员也参与了该项目。
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