托卡马克聚变设施是最广泛使用的地球采集设备，可以更快地开发出能够发电的安全，清洁和几乎无限的能量，为太阳和恒星提供能量的聚变反应吗?美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家Jon Menard详细研究了配备高温超导(HTS)磁体的紧凑型托卡马克概念。与在紧凑设施中可能的情况相比，这种磁体可以产生更高的磁场 - 这是产生和维持聚变反应所必需的。
梅纳德首先将这篇论文发表在伦敦皇家学会研讨会上，该论文现已发表在皇家学会A的哲学交易中，该论文探讨了加速托卡马克生产的聚变力与紧凑托卡马克的发展。“这是第一篇定量记录新超导体如何与压缩托卡马克产生的高压相互作用以影响未来如何优化托卡马克的论文，”梅纳德说。“我们试图开发的是一些简单的模型，可以捕捉到集成设计的重要方面。”
“非常重要”的调查结果
PPPL主任史蒂夫考利说，这些发现“非常重要”。Cowley指出，“Jon在此篇和前一篇论文中的论点在最近的国家科学院报告中非常有影响力”，该报告要求美国计划开发一个紧凑的聚变试验工厂，以尽可能低的成本发电。考利说：“Jon已经真正概述了使用高温磁铁的小型托卡马克的技术方面。”
紧凑型托卡马克可以包括球形设施，例如在PPPL修理的国家球形环实验升级(NSTX-U)和英国的兆安培球形托卡马克(MAST)，提供了一些有利的特征。这些装置形状像带芯的苹果而不是类似环形的传统托卡马克，可以产生高压等离子体，这对于具有相对低和成本效益的磁场的聚变反应是必不可少的。
这种反应融合了等离子体形式的轻元素 - 由自由电子和原子核组成的热的带电状态 - 释放能量。科学家们试图复制这一过程，并在地球上创造一颗恒星，为世界各地的家庭，农场和工业生产大量电力。融合可以持续数百万年，风险很小，不会产生温室气体。
延长以前的考试
梅纳德的研究扩展了他之前对球形设计的研究，该设计可以开发聚变反应堆的材料和部件，并作为生产电力的试验工厂。本文详细分析了未来实验在将紧凑型托卡马克与HTS磁体集成时需要探索的复杂权衡。“我们意识到，没有任何一项创新可以指望能够使设备更紧凑或更经济地取得一些突破，”Menard说。“你必须看一下整个集成系统才能知道你是否从更高的磁场中获益。”
本文重点关注孔的大小的关键问题，定义为托卡马克中心的“纵横比”，用于保持和塑造等离子体。在球形托卡马克中，这个孔的尺寸可以是传统托卡马克孔的一半，相当于紧凑设计的核心苹果形状。虽然物理学家认为较低的长宽比可以改善血浆稳定性和等离子体限制，“我们不会在限制方面知道，直到我们对NSXT-U和MAST升级进行实验，”Menard说。
较低的纵横比为HTS磁体提供了吸引人的设置，其高电流密度可以产生在紧凑托卡马克的相对狭窄空间内融合所需的强磁场。然而，超导磁体需要厚屏蔽以防止中子轰击损坏和加热，当器件尺寸减小时，变压器在空间中不足以感应电流以完成扭转场。对于较低纵横比的设计，科学家因此必须开发新技术来产生部分或全部初始等离子体电流。
200至300兆瓦的电力
保持等离子体产生200至300兆瓦的电力，纸张检查还需要比标准托卡马克运行方案通常实现的更高的限制。这样的功率产生可能导致聚变中子的通量受到挑战，这会将HTS磁体的估计寿命限制为一到两年的全功率运行。较厚的屏蔽可以显着增加寿命，但也会降低聚变功率的传递。
事实上，HTS磁铁需要进行重大开发，而这些磁铁尚未按比例建造。“可能需要数年才能将磁铁尺寸要求和相关因素的基本要素模型作为纵横比的函数组合在一起，”梅纳德说。
他说，最重要的是，较低的宽高比“根据这些结果确实值得研究。” 他指出，较低比率的潜在好处包括聚变功率密度的产生 - 每单位体积等离子体的聚变功率的关键输出 - 超过传统纵横比的输出。“融合需要变得更具吸引力，”梅纳德说，“因此评估较低纵横比的好处和权衡取舍是非常重要的。”