近日，一個國際科學家團隊在《核聚變》雜志上發表了他們的研究成果，旨在了解托卡馬克等離子體破裂時作用于真空室壁的橫向力的性質。該團隊通過三種不同的模型估算了這些力的大小，并進行了一項獨特的實驗研究。

圖 1. RFX-mod 托卡馬克實驗裝置幾何結構圖，包括真空容器 (VV)、被動穩定殼 (PSS) 和環形支撐結構 (TSS)。源核聚變。

研究的起源可以追溯到JET實驗，在該實驗中首次觀察到等離子體破裂時產生的橫向力可以達到很大的振幅，并導致托卡馬克環面的水平位移。這些力與等離子體變形產生的不對稱磁擾動有關，破壞了結構的對稱性。為了解釋這一現象，科學家們提出了各種理論方法，但傳統模型往往無法準確描述觀察到的橫向力。

最近，由普斯托維托夫和他的學生米羅諾夫提出的新模型基于不存在直接作用于等離子體的積分電磁力的原理，為橫向力提供了更為克制的估計。然而，托卡馬克中包含一整套復雜的導電結構，這使得估算力的任務變得尤為困難。

在國際ITER項目的支持下，一個由國際聯盟領導的科學家團隊在意大利進行了一項獨特的實驗，旨在測量和分析等離子體破裂時產生的并作用于真空室壁的橫向力。該實驗由俄羅斯科學家團隊參與，并考慮了三種情況：VV(僅考慮電阻真空容器作為導電結構)、TSS(僅將電阻環形支撐結構視為唯一的導電壁)和PSS(假設僅將被動穩定殼視為導電結構)。

實驗中，物理學家研究了等離子體放電的動力學，主要目的是將實驗結果與各種模型的理論預測進行比較。他們利用容器整個環形表面的表面積分來計算壁面的積分橫向力，以獲得力的“參考”值。

研究結果表明，在放電階段，磁場徑向分量的幅度呈指數增加，表明橫向力增加。在衰減階段，隨著等離子體轉變為更穩定的狀態，觀察到彎曲模式的幅度急劇下降。

對三種模型進行了比較后發現，Ricardo-Walker-Noll模型相對于參考數據高估了橫向力約20倍;扎哈羅夫模型給出的估計值大約比實驗數據高出3倍，且其預測在轉向穩定狀態時往往會出現相反的符號;而米羅諾夫-普斯托維托夫模型雖然系統地低估了該力(大約低估了3倍)，但其隨時間的變化在質量上與實驗一致，被認為是三個模型中最好的。

莫斯科物理技術學院等離子體物理與化學系研究員弗拉基米爾·普斯托維托夫強調說：“我們的實驗證實，等離子體破裂時產生的橫向力與經典模型的預測存在很大不同。這表明需要考慮等離子體周圍的幾個導電結構的相互作用。我們相信，對這些現象的進一步研究將提高等離子體放電的穩定性，并使我們更接近成功實現熱核聚變。”

該研究結果對于熱核反應堆等離子體控制技術的發展具有重要意義。了解橫向力產生的機制將有助于開發新的主動等離子體穩定系統，該系統能夠糾正位移并防止不必要的破壞。此外，使用磁傳感器直接測量橫向力證明了該技術在等離子體物理實驗中廣泛應用的潛力。

為了減少經驗和橫向力理論估計之間的差異，研究人員需要開發更復雜的修改模型，以考慮到幾個導電結構的相互作用和暈電流的影響。未來的實驗可能旨在更詳細地研究扭結模式的時間演變及其對等離子體位移的影響，這將有助于更好地理解放電動力學中的非線性效應。將磁測量與其他診斷方法相結合，可以提供等離子體中發生的過程的更完整圖像，并能夠創建集成控制系統。