要通过核聚变反应产生热量，必须精确地控制等离子体的特性。等离子体是一种带电的物质状态，它构成了我们99%可观测到的宇宙。
4/30,美国能源部 (DOE) 普林斯顿等离子体物理实验室 (PPPL) 的科学家们宣称已经完成了一种新的等离子体诊断仪器建造，该仪器可以帮助提高托卡马克聚变反应的热量，有助于提高未来聚变发电厂的能量输出。
这种诊断设备被称为ALPACA，它通过观察DIII-D内部等离子体周围由中性原子构成的光环所发出的光来进行监测。DIII-D是一个由美国能源部（DOE）运营、由通用原子公司（General Atomics）在圣地亚哥管理的环形装置，其形状类似一个甜甜圈，也就是我们平时所说的托卡马克（tokamak）装置。
通过研究这种光，科学家们可以获取有关中性原子密度的信息，这可能有助于他们保持等离子体的高温，并增加由聚变反应产生的电力量。世界各地的科学家们都在尝试利用聚变反应来发电，在这个过程中不产生温室气体或长期存在的放射性废物。
ALPACA还可以帮助科学家研究“燃料注入”的过程。在此过程中，等离子体周围不同密度的中性原子云分裂成电子和离子并进入等离子体。PPPL 物理学家 Laszlo Horvath 说“我们对燃料注入颇感兴趣，因为中性原子的密度会增加等离子体粒子的密度，而等离子体密度则直接影响聚变反应的次数。如果我们能够增加等离子体的密度，那么我们就可以进行更多的聚变反应，从而产生更多的聚变能量。这正是我们希望在未来的聚变发电厂中拥有的。”这位物理学家还负责在DIII-D协调ALPACA的组装和安装工作。
这种燃料注入涉及的氢原子有三个来源：第一个是科学家用来引发等离子体的原始氢气。第二个是电子和原子核在腔室较冷区域结合形成完整的原子。第三个是氢原子从构成内室表面的材料中泄漏，不过有时可能在托卡马克运行期间被捕获。
ALPACA类似于针孔相机，它被用来收集等离子光。这种等离子光具有称为Lyman-alpha波长的特定属性。研究人员可以通过测量光的亮度来计算中性原子的密度。
此前，科学家们曾根据其他仪器的测量结果推断出密度，但这些数据解读起来颇具挑战。ALPACA 是专门为收集莱曼阿尔法频率等离子光而设计的首批诊断设备之一，因此其提供的数据更加清晰易懂。
科学家们希望加深对燃料供给的了解，以便能够控制它。因为通过控制燃料，科学家可以使托卡马克中的聚变反应更加高效并增加其产生的热量。等离子体越热，基于托卡马克的发电厂可以产生的电力就越多。这个项目是普林斯顿等离子物理实验室在工程和等离子体诊断方面世界级专长的又一例证。
ALPACA 实际上是一种成对诊断工具中的一个。它的孪生工具被称为 "LLAMA"，也是 "Lyman-alpha 测量装置"的代表。这两种诊断工具相互补充，因为当 LLAMA 观察托卡马克下部的内外部区域时，ALPACA 则观察上部的内外部区域。
物理学家 Alessandro Bortolon 说：“我们需要这两个设备，尽管我们已经知道中性原子包围着等离子体，但中性原子的数量因地而异，所以我们并不清楚它们究竟在何处积聚。我们不能从单一测量中推断出结果，需要在多个位置进行测量。像所有诊断工具一样，ALPACA 扮演着至关重要的角色。当我们在 DIII-D 这样的机器上运行实验时，如果我们想要提高其性能，我们需要先了解设备内部发生了什么，诊断工具可以满足这一需求。”
ALPACA 的设计采用了 3D 打印技术，该技术可以将空心室集成到冷却管道的主结构骨架内。ALPACA 是由 PPPL（普林斯顿等离子体物理实验室）独立设计和建造的，整个系统包括 ALPACA 和 LLAMA，将由 PPPL 和麻省理工学院合作运营。ALPACA 目前正在进行测试，如果本月测试完成，ALPACA 将开始进行实际测量。
原文链接：https://phys.org/news/2024-04-instrument-scientists-tailor-plasma-fusion.html