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在日本的金繼藝術中，藝術家將碗的碎片與黃金重新融合在一起，使最終產品比原來的更加美麗。普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 的雷切爾·克雷曼 (Rachel Kremen) 寫道，這個想法啟發了一種管理等離子體(超熱物質狀態)作為電源的新方法。

科學家們正在利用磁場中限制反應的缺陷來改善和增強等離子體，其方法在 《自然通訊》雜志上的一篇 新論文中概述。

“這種方法可以讓您保持高性能等離子體，同時控制等離子體核心和邊緣的不穩定性。這種同時控制尤為重要且難以做到。這就是這項工作的特別之處，”美國能源部 (DOE) 普林斯頓等離子體物理實驗室 (PPPL) 的 Joseph Snipes 說道。他是 PPPL 托卡馬克實驗科學部的副主任，也是該論文的合著者。

PPPL 物理學家 Seong-Moo Yang 領導的研究團隊橫跨美國和韓國的多個機構。楊說，這是研究團隊首次驗證一種系統方法，可以調整磁場缺陷，使等離子體適合用作電源。這些磁場缺陷稱為誤差場。

“我們的新方法確定了最佳誤差場校正，增強了等離子體穩定性，”楊說。“這種方法被證明可以增強不同等離子體條件下的等離子體穩定性，例如，當等離子體處于高磁約束和低磁約束條件下時。”

難以糾正的錯誤

誤差場通常是由容納等離子體的設備(稱為托卡馬克)的磁線圈中的微小缺陷引起 的。到目前為止，誤差場僅被視為一種麻煩，因為即使非常小的誤差場也可能導致等離子體破裂，從而停止聚變反應并可能損壞聚變容器的壁。因此，融合研究人員花費了大量的時間和精力精心尋找糾正錯誤場的方法。

“消除現有的誤差場非常困難，因此我們可以在稱為誤差場校正的過程中在聚變容器周圍施加額外的磁場，而不是修復這些線圈不規則性，”楊說。

在過去，這種方法還會傷害等離子體的核心，使等離子體不適合用于聚變發電。這次，研究人員能夠消除等離子體邊緣的不穩定性并保持核心的穩定性。這項研究是 PPPL 研究人員如何彌合當今聚變技術與將聚變電力引入電網所需技術之間差距的一個典型例子。

“這實際上是打破系統對稱性的一種非常有效的方法，因此人類可以故意降低限制。這就像在氣球上打一個非常小的洞，這樣它就不會爆炸，”PPPL 的研究科學家兼論文合著者 SangKyeun Kim 說。正如空氣會從氣球的小孔中泄漏出來一樣，少量的等離子體也會從誤差場中泄漏出來，這有助于保持其整體穩定性。

同時管理等離子體的核心和邊緣

管理聚變反應最困難的部分之一是讓等離子體的核心和邊緣同時發揮作用。這兩個區域的等離子體溫度和密度都有理想的區域，要在消除不穩定性的同時達到這些目標是很困難的。

這項研究表明，調整誤差場可以同時穩定等離子體的核心和邊緣。通過仔細控制托卡馬克線圈產生的磁場，研究人員可以抑制邊緣不穩定性，也稱為邊緣局域模式(ELM)，而不會造成干擾或明顯的限制損失。

“我們正在努力保護該設備，”該論文的作者、PPPL 研究物理學家胡啟明說。

將研究擴展到 KSTAR 之外

這項研究是利用 韓國的KSTAR 托卡馬克裝置進行的，該裝置因其能夠靈活調整磁誤差場配置而脫穎而出。這種能力對于試驗不同的誤差場配置以找到穩定等離子體的最有效的配置至關重要。

研究人員表示，他們的方法對未來托卡馬克聚變試驗裝置的設計具有重大影響，有可能使它們更加高效和可靠。他們目前正在開發控制系統的人工智能 (AI) 版本，以提高其效率。

“這些模型相當復雜;他們需要一些時間來計算。但當你想在實時控制系統中做某事時，你只能花幾毫秒的時間來進行計算，”Snipes 說。“使用人工智能，你基本上可以告訴系統會發生什么，并能夠使用人工智能提前預測控制等離子體所需的內容以及如何實時實施它。”

雖然他們的新論文強調了使用 KSTAR 內部磁線圈所做的工作，但 Hu 表示，未來在聚變容器外部使用磁線圈的研究將是有價值的，因為聚變界正在放棄將此類線圈容納在真空密封容器內的想法，因為等離子體的極熱可能會破壞這些組件。

來自韓國聚變能源研究所 (KFE)、哥倫比亞大學和首爾國立大學的研究人員也參與了該項目。