在核聚变反应堆内发现幽灵般的‘闪电’波托卡马克内部聚变能的概念图

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托卡马克内部聚变能的概念图，这是一种为聚变能产生等离子体的甜甜圈形机器。

新的研究表明，通常由电离层闪电产生的神秘，幽灵般的“哨声波”可以保护核聚变反应堆免于逃离电子。

这些哨声波自然在电离层高地上被发现，电离层是地球表面以上50至600英里（80至1000公里）的地球大气层。当大气层爆发闪电并在北半球和南半球之间传播电磁波脉冲时，会形成这些幽灵般的哨声波。这些波在穿过地球时会发生频率变化，当信号从光转换为音频时，它们听起来像哨声。

根据最近4月11日发表在“物理评论快报”杂志上的一项研究，现在这些哨声波已经在托卡马克内部的热等离子体中发现，它是发生核聚变反应的甜甜圈形机器。

因为哨声波可以散射和阻碍高速电子，这给了研究人员一种新方法来防止失控电子损坏托卡马克内部。

核融合力量

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在为太阳和恒星提供动力的核聚变反应中，原子撞击在一起，融化成更大的原子，同时释放能量。几十年来，研究人员一直试图利用托卡马克内部强大的磁场环绕热甜甜圈形状的热等离子体云，制造地球上的聚变能量。

在托卡马克内部，电场可以更快，更快地推动电子。但是，当这些高速电子穿过等离子体时，电子会被加速。通常，移动通过气体或液体的物体会感觉到随着速度而阻力增加。例如，驾驶汽车越快，遇到的风阻就越大。但在等离子体中，阻力随速度降低，这使电子加速到接近光速，从而损坏托卡马克装置。

田纳西州橡树岭国家实验室的物理学家Don Spong说，研究人员已经有一些技术来缓解逃亡现象。他们可以使用人工智能算法来监测和调整等离子体的密度，以防止电子加速过快。如果仍然存在失控，它们可以注入冷冻的粒料氖进入等离子体，这增加了等离子体密度，从而减缓逃逸电子。

但哨声波可能是遏制失控电子的另一种方式。“我们理想地希望避免中断和逃亡，”Spong说。“但是如果它们发生，我们希望有多种工具可用于处理它们。”

停止逃跑

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在圣地亚哥DIII-D国家融合设施的托卡马克，Spong的研究小组首次发现哨音波是由失控电子产生的。

他解释说，等离子体就像一块带有许多振动模式的果冻。如果某些失控电子的速度合适，他们会激发共振并触发哨声波—类似于以恰当的速度驾驶旧车可能导致仪表板振动。

Spong说：“我们想要做的是对这个过程进行逆向工程，并将这些波放在等离子体的外面，以分散逃亡。”

通过更好地了解高速电子如何创造口哨者，研究人员希望他们能够扭转这一过程 - 使用外部天线生成哨声波以分散电子并防止它们变得过快。

研究人员仍然需要进一步探索高速电子和哨声波之间的关系，Spong说，例如，通过确定哪些频率和波长最适合抑制逃亡，并研究聚变反应堆所需密度更高的等离子体会发生什么。

当然，抑制失控电子只是从核聚变中创造清洁能源的一个障碍。目前，聚变反应堆需要更多的能量来加热等离子体，而不是融合产生的能量。为了达到平衡点，研究人员还必须弄清楚如何让等离子浆保持高温而不需要加热。

但Spong对于聚变能源持乐观态度。“我相信它是可以实现的。”

2025年，法国南部的ITER项目将开始实验。科学家希望它能成为第一台能产生比用于加热等离子体更多能量的聚变机器。计划到2050年，几个团体实现净正向聚变能。麻省理工学院与一家名为Commonwealth Fusion Systems的公司之间的新合作宣布，双方希望在15年内将核聚变应用于电网。