近日，美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)宣布其科学家通过计算机模拟发现，当法拉第屏与天线略微倾斜5度时，可以有效阻止慢速模式产生，从而提高等离子体的加热效率。相关论文已于今年10月发表在《Physics of Plasmas》上，题目为《Full-wave simulations on helicon and parasitic excitation of slow waves near the edge plasma》。
一、等离子体加热与慢速模式的挑战
将等离子体加热到聚变反应所需的超高温度绝非易事。科学家们为此研究了许多方法，其中一种就是使用电磁波(类似于微波炉中的电磁波)来加热等离子体。然而在产生所需的加热波时，有时会同时产生另一种无助于等离子体加热的波—也被称为慢速模式。
二、PPPL的计算机模拟技术
为了应对这一挑战，PPPL的科学家们进行了先进的计算机模拟，证实了一种防止形成这种低效慢速模式的技术，从而允许更多的能量有效参与到等离子体的加热过程中。这一技术性的突破提高了聚变反应的效率，有利于更接近实现聚变能。PPPL首席研究物理学家、也是该论文的第一作者Eun Hwa Kim对此表示：“这是科学家们第一次使用2D计算机模拟来探索如何减少慢速模式，研究结果可能会带来更高效的等离子体加热，并可能为聚变能的获得提供一条更加便捷的途径。”研究人员使用Petra-M(Physics Equation Translator for MFEM)仿真代码模拟了螺旋波和慢速模式的产生。这是一个基于可扩展MFEM有限元库的开源FEM平台，其功能非常强大，已广泛用于聚变装置和空间等离子体中的等离子体波仿真。研究团队模拟复制了DIII-D托卡马克中的条件，进行了一系列虚拟实验，以测试以下哪项对慢速模式的产生影响最大—天线的对准、法拉第屏的对准或天线前面称为电子的小粒子的密度。模拟证实了先前研究人员提出的意见，即当法拉第屏与天线方向成5度或更小的角度对齐时，法拉第屏实际上会使慢速模式短路，使它们在传播到等离子体中之前消失。
三、法拉第屏的对齐与慢速模式抑制
研究人员希望避免产生慢速模式，因为与螺旋波不同，它们无法穿透约束等离子体的磁力线来加热核心，而大多数聚变反应都发生在核心区域上。此外，慢速模式很容易被等离子体本身抑制或扼杀。可以这样说，任何用于产生慢速模式的能量都没有用于加热等离子体和促进聚变反应，都是被浪费的能量。
该研究团队包括使用DIII-D托卡马克聚变设施的General Atomics的科研人员，他们也确认了这一结果，即将一个被称为法拉第屏的金属炉排相对于产生加热波(也称为螺旋波)的天线以略微倾斜5度放置，就可以阻止慢速模式的产生。
慢速模式的抑制很大程度上取决于法拉第屏向侧面倾斜的程度。PPPL的研究物理学家、也是这篇论文作者之一的Masayuki Ono提到：“我们对慢速模式的发展对法拉第屏对齐的敏感程度感到惊讶，这个倾斜度仅超过五度一点点时，慢速模式就会大幅增加”。科学家可以利用这些信息来调整新聚变设施的设计，使其加热更强大、更高效。
未来，科学家计划通过运行计算机模拟来考虑更多等离子体的特性并考虑更多有关天线的信息，以加深对如何防止慢速模式的理解。
据悉，这项研究得到了美国能源部科学办公室的FES(Fusion Energy Sciences)和SciDAC(Scientific Discovery through Advanced Computing)计划的支持。计算机模拟是使用美国能源部的用户设施NERSC(National Energy Research Scientific Computing Center)进行的。
