若能開發出一種可控核聚變發生裝置，則可以為地球提供近乎無限的清潔能源。工程師們從 20 世紀 50 年代便開始了熱核聚變的研究，時至今日他們仍在努力將這一目標變成現實，其中一種方法是使用名為托卡馬克（tokamak）的磁約束裝置。讓我們一起了解一下，為何麻省理工學院（MIT）等離子體科學與聚變中心（Plasma Science Fusion Center，簡稱 PSFC）的工程師們會將目光轉向借助仿真來解決托卡馬克裝置設計中的關鍵問題：等離子體破裂引起的不穩定性。

將等離子體約束在托卡馬克裝置內

托卡馬克是一種可以產生熱核聚變能量的實驗裝置，可將氫燃料加熱至 150,000,000°C 以上，迫使電子從原子核中分離，從而產生等離子體。磁場的作用是將等離子體限制在真空容器中，并使熱等離子體遠離容器壁，同時強度更高的磁場還可以提升等離子體的性能。

從托卡馬克裝置的窗口中觀察到的等離子體。

圖像由 Bobmumgaard 自行拍攝。已獲 CC BY-SA 4.0 許可，通過 Wikimedia Commons 共享。

麻省理工學院 PSFC 的研究人員們之所以將強磁場視為核聚變的關鍵性因素之一，是因為磁場會影響等離子體的性能。由于核聚變功率與磁場強度的四次方呈正比，所以磁場強度的任意微小增加都會極大地增強裝置的功率，并更好地約束等離子體。

PSFC 的先進偏濾器實驗方案

高級偏濾器實驗（Advanced Divertor Experiment，簡稱 ADX）方案是由 PSFC 及其合作者提出的，旨在開發一種可以在強磁場下工作的緊湊型托卡馬克裝置。該托卡馬克裝置具有與典型反應堆一樣的密度、熱通量和溫度，但僅使用短周期等離子體放電。使 ADX 托卡馬克裝置區別于其他同類裝置的關鍵創新點在于，該裝置使用的是由五個軸對稱的殼體組成的模塊化真空容器，而不是單一的缸。隨著研究的進展，工程師們也許會獲得新的發現，這種分離的殼體結構使得工程師可以對裝置的某一部分（例如偏濾器）進行修改，體現出巨大的優勢。

ADX 托卡馬克設計方案提議。

托卡馬克裝置面臨的一個主要挑戰是處理由等離子體釋放的高熱量和顆粒。這些通量可由偏濾器進行處理，通過 ADX，可對多種不同的偏濾器設計進行測試，并基于測量數據來評估不同設計的性能表現。

托卡馬克裝置面臨的另一項挑戰是等離子體破裂現象。在正常操作過程中，等離子體會攜帶巨大的電流。例如在 ADX 中，等離子體攜帶的電流為 2 兆安。在破裂過程中，當等離子體離開平衡位置時，其平衡狀態被打破，隨后在很短的時間（1毫秒）內釋放所有電流。這種由等離子體移動導致電流釋放的破裂類型被稱為垂直移動現象（verticaldisplacement event，簡稱 VDE）。

在 VDE 中，等離子體的變化會引起磁場的快速變化，進而會驅動周圍導電結構（例如真空容器）中產生渦電流。當這些渦電流穿越托卡馬克裝置中的徑向磁場和環向磁場時，會產生巨大的洛倫茲力，這就要求裝置的結構必須要有能力承受住這巨大的作用力。

左圖：PSFC 的真空容器設計。右圖：真空容器壁內的渦電流。

VDE 的存在，使等離子體可以移動至容器壁附近，這種接近導致等離子體破裂的過程中會在容器壁上產生較大負載。基于這一點，PSFC 的工程師們將 VDE 作為一項測試條件，以檢測他們的容器是否支持 ADX 操作。

模擬托卡馬克真空容器中的 VDE

為了減少渦電流，PSFC 的研究人員選用了 Inconel 625作為容器的制作材料，這是由于 Inconel 625 是具有高電阻率和高強度。這種鎳基合金的高電阻率有助于降低容器中渦電流的大小。研究團隊在用數值模擬對他們的初步設計進行測試時發現，容器內具有較大的應力和位移，如下圖所示。

PSFC 的真空容器結構模型，紫色邊界表示固定的部位。仿真顯示了 VDE 過程中的應力（a）和位移（b）。

隨后，工程師們在容器邊界上添加了一個固定塊。這一操作穩定了真空容器，并大幅降低了應力和壁的位移。安裝支撐塊后的仿真結果表明容器可以正確處理 ADX 中的等離子體破裂現象。

安裝了另一個支撐塊后的 PSFC 真空容器結構模型。仿真顯示了 VDE 過程中，優化模型中的應力（a）和位移（b）。

借助 COMSOL Multiphysics? 設計強大的核聚變裝置

對于核聚變裝置的設計來說，仿真可以作為平衡效率與精度的強大工具。PSFC 的研究團隊證明了 COMSOL Multiphysics? 可對托卡馬克設計中的磁場提供可靠的預測結果，仿真結果與記錄數據完美匹配。平臺靈活性也使工程師們可以輕易地從一種物理場過渡到另一種，從而在不同研究中無縫切換。

借助他們的仿真結果，PSFC 的工程師們可以確保他們的真容容器一旦投產，將會在 ADX 中發揮良好性能。這類進展為核聚變提供了新的潛能，同時也朝著實現核聚變能成功應用的目標前進了一步。

作者：Bridget Paulus

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