未来的零排放发电厂：科学家合作开发商业聚变能源

PPPL物理学家Gerrit Kramer与SPARC聚变反应堆的概念图。

美国能源部（DOE）的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）正在与私营企业合作进行旨在实现商业聚变能源的尖端聚变研究。这项工作是通过公私DOE赠款计划实现的，支持了开发高性能聚变级等离子体的努力。PPPL在一个这样的项目中与麻省理工学院的等离子体科学与融合中心（PSFC）和英联邦融合系统进行了合作，这是麻省理工学院的初创公司，正在开发一种称为SPARC的托卡马克融合装置。

该项目的目标是，在限制等离子体的超导磁体的尺寸和潜在的未对准情况下，预测在SPARC的聚变反应过程中产生的快速“α”粒子的泄漏。这些粒子会产生大量自热或“燃烧的等离子体”，从而促进聚变反应。燃烧等离子体的发展是聚变能研究的主要科学目标。但是，α粒子的泄漏会减慢或停止聚变能的产生，并损坏SPARC设施的内部。

新型超导磁体

SPARC机器的主要特征包括其紧凑的尺寸和强大的磁场，这是由于新型超导磁体能够在比现有超导磁体更高的磁场和应力下运行而实现的。如SPARC团队在最近的出版物中所描述的那样，这些功能将使设计和建造更小，更便宜的聚变设施成为可能-假设聚变反应中产生的快速α粒子可以包含足够长的时间，以保持等离子体热。

通过美国能源部聚变能源创新网络（INFUSE）计划参加该项目的PPPL物理学家Gerrit Kramer说：“我们的研究表明它们可以实现。”这项为期两年的计划由PPPL物理学家艾哈迈德·迪亚洛（Ahmed Diallo）担任副主任，旨在通过与国家实验室的合作来加速聚变能的私营部门发展。

密密麻麻的

“我们发现，α粒子确实在SPARC设计中得到了很好的限制，”《等离子体物理学》杂志上发表论文的合著者Kramer说。他与主要作者史蒂文·斯科特（Steven Scott）紧密合作，史蒂文·斯科特（Steven Scott）是联邦融合系统顾问和PPPL的前长期物理学家。

Kramer使用PPPL开发的SPIRAL计算机代码来验证粒子限制。克雷默说：“该代码模拟了磁场中的波状图案或波纹，该波状图案或波纹可允许快速粒子逃逸，显示出良好的密封性，并且对SPARC壁没有损坏，” Kramer说。此外，他补充说：“ SPIRAL代码与芬兰的ASCOT代码非常吻合。尽管两个代码完全不同，但结果却是相似的。”

这一发现使斯科特感到高兴。他说：“很高兴看到我们对波动引起的损耗的理解得到了计算验证，因为我早在1980年代初期就在我的博士论文中对这一问题进行了实验研究。”

聚变反应将等离子形式的轻元素结合起来，产生大量的能量，等离子体是由自由电子和原子核（或离子）组成的热的带电状态，占可见宇宙的99％。世界各地的科学家都在寻求将聚变作为一种几乎无限的发电来源。

重点指导

Kramer及其同事指出，SPARC磁体的未对准会增加由脉动引起的聚变颗粒的损失，从而导致撞击壁的功率增加。他们的计算应为SPARC工程团队提供有关磁铁必须对齐的良好程度的主要指导，以避免过多的功率损耗和壁损坏。正确对齐的磁体将使首次研究等离子体自热成为可能，并在未来的聚变电站中开发出改进的等离子体控制技术。

参考：SD斯科特，GJ Kramer，EA Tolman，A。Snicker，J。Varje，K。Särkimäki，JC Wright和P. Rodriguez-Fernandez在2020年9月29日在线发表的《 SPARC中的快速物理学》。 DOI：
10.1017 / S0022377820001087

这项研究的支持来自联邦融合系统。对Kramer的支持来自美国能源部科学办公室的INFUSE计划。该项目的参与者包括PSFC的物理学家；芬兰埃斯波的阿尔托大学；瑞典哥德堡的查默斯工业大学。