近日，一个国际科学家团队在《核聚变》杂志上发表了他们的研究成果，旨在了解托卡马克等离子体破裂时作用于真空室壁的横向力的性质。该团队通过三种不同的模型估算了这些力的大小，并进行了一项独特的实验研究。
图 1. RFX-mod 托卡马克实验装置几何结构图，包括真空容器 (VV)、被动稳定壳 (PSS) 和环形支撑结构 (TSS)。源核聚变。
研究的起源可以追溯到JET实验，在该实验中首次观察到等离子体破裂时产生的横向力可以达到很大的振幅，并导致托卡马克环面的水平位移。这些力与等离子体变形产生的不对称磁扰动有关，破坏了结构的对称性。为了解释这一现象，科学家们提出了各种理论方法，但传统模型往往无法准确描述观察到的横向力。
最近，由普斯托维托夫和他的学生米罗诺夫提出的新模型基于不存在直接作用于等离子体的积分电磁力的原理，为横向力提供了更为克制的估计。然而，托卡马克中包含一整套复杂的导电结构，这使得估算力的任务变得尤为困难。
在国际ITER项目的支持下，一个由国际联盟领导的科学家团队在意大利进行了一项独特的实验，旨在测量和分析等离子体破裂时产生的并作用于真空室壁的横向力。该实验由俄罗斯科学家团队参与，并考虑了三种情况：VV(仅考虑电阻真空容器作为导电结构)、TSS(仅将电阻环形支撑结构视为唯一的导电壁)和PSS(假设仅将被动稳定壳视为导电结构)。
实验中，物理学家研究了等离子体放电的动力学，主要目的是将实验结果与各种模型的理论预测进行比较。他们利用容器整个环形表面的表面积分来计算壁面的积分横向力，以获得力的“参考”值。
研究结果表明，在放电阶段，磁场径向分量的幅度呈指数增加，表明横向力增加。在衰减阶段，随着等离子体转变为更稳定的状态，观察到弯曲模式的幅度急剧下降。
对三种模型进行了比较后发现，Ricardo-Walker-Noll模型相对于参考数据高估了横向力约20倍;扎哈罗夫模型给出的估计值大约比实验数据高出3倍，且其预测在转向稳定状态时往往会出现相反的符号;而米罗诺夫-普斯托维托夫模型虽然系统地低估了该力(大约低估了3倍)，但其随时间的变化在质量上与实验一致，被认为是三个模型中最好的。
莫斯科物理技术学院等离子体物理与化学系研究员弗拉基米尔·普斯托维托夫强调说：“我们的实验证实，等离子体破裂时产生的横向力与经典模型的预测存在很大不同。这表明需要考虑等离子体周围的几个导电结构的相互作用。我们相信，对这些现象的进一步研究将提高等离子体放电的稳定性，并使我们更接近成功实现热核聚变。”
该研究结果对于热核反应堆等离子体控制技术的发展具有重要意义。了解横向力产生的机制将有助于开发新的主动等离子体稳定系统，该系统能够纠正位移并防止不必要的破坏。此外，使用磁传感器直接测量横向力证明了该技术在等离子体物理实验中广泛应用的潜力。
为了减少经验和横向力理论估计之间的差异，研究人员需要开发更复杂的修改模型，以考虑到几个导电结构的相互作用和晕电流的影响。未来的实验可能旨在更详细地研究扭结模式的时间演变及其对等离子体位移的影响，这将有助于更好地理解放电动力学中的非线性效应。将磁测量与其他诊断方法相结合，可以提供等离子体中发生的过程的更完整图像，并能够创建集成控制系统。
