啁啾在鸟类中受到欢迎 但在融合装置中则不受欢迎

鸟类做到这一点，甜甜圈形状的融合设施也被称为“tokamaks”。但托卡马克啁啾 - 一种快速变化的频率波远远高于人耳可以探测到的频率 - 对于那些寻求将太阳和恒星的能量融合到地球的研究人员来说，几乎不受欢迎。这种啁啾表示可以减缓聚变反应的热量损失，这种损失长期困扰着科学家们。

令人困惑的是，一些托卡马克比其他托卡马克更频繁地唧唧喳喳。例如，啁啾通常发生在美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体实验室(PPPL)的国家球形环实验升级(NSTX-U)中，但在DIII-D国家融合设施托卡马克中很少见。 Atomics为圣地亚哥的DOE运营。理解为什么有些托卡马克唧唧喳喳和有些托马斯唧唧是不重要的，这样研究人员就可以预测并最终学会避免在ITER托卡马克(即位于法国南部的国际聚变反应堆，以展示聚变能的实用性)中的这种啁啾声。

在像ITER这样的聚变反应堆中，聚变反应产生“快离子” - 高能原子核，科学家们依赖它来维持保持等离子体热的所需的高等离子体温度。这种离子就像一阵快风，在某些条件下，可以激发热等离子体中称为“阿尔芬波”的波浪 - 就像吹管乐器产生的音符一样。如果快速离子风足够强，阿尔芬会开始啁啾，这将导致能量损失，降低等离子体温度和聚变功率输出。

导致啁啾的条件

由PPPL研究人员领导的科学家现在已经模拟了产生啁啾的等离子体条件，并预测它何时会发生。在DIII-D托卡马克上成功测试的计算机模型描述了湍流的影响 - 等离子体的随机波动，可导致热量和颗粒损失 - 对快离子的影响。该模型显示等离子体中的湍流有助于破坏或散射快速离子风。如果散射足够强，则快离子不再具有引起阿尔芬波啁啾的强度，并且可以减少来自等离子体的热量损失。

直到最近，寻找湍流在影响快离子风强度中的作用的直接证据及其在啁啾中的作用一直是一个挑战。最近的DIII-D实验现在揭示了湍流水平与等离子体啁啾之间的密切联系。

在这些实验中，快速离子风在等离子体中产生单个Alfvén音符，非常类似于管乐器中的单个音符。然后，当等离子体自发地转变为具有低湍流水平的新的改善状态时，Alfvén音符开始迅速啁啾。

这种啁啾的发生显然与湍流的减少有关，因为较低的湍流不再能够散射快速离子风，使其充分积聚以更加强烈地驱动阿尔芬海浪并使它们开始啁啾。“当湍流减少时，快速离子束的连贯运动会引起啁啾，以及与啁啾相关的泄漏和热量，”PPPL副研究物理学家，来自巴西圣保罗大学的前访问科学家ViníciusDuarte说。一篇论文的主要作者，描述了等离子体物理学的发现，并被美国物理学会评为“科学亮点”。

为什么有些等离子啁啾

Duarte开发的理论也说明了为什么有些等离子体啁啾，有些却没有。解释是，与其他装置相比，湍流在某些装置中散射快离子风的效果要差得多。下一步将利用这些知识设计防止当前实验中啁啾的方法，并将这些方法用于未来聚变反应堆(如ITER)的设计。