核聚变是一种强大的能量来源，它模仿太阳产生能量的过程，通过将轻原子核（如氢的同位素氘和氚）在极高温度和压力下融合，生成更重的原子核（如氦）并释放出巨大的能量。可控商业核聚变人类梦寐以求的技术，是将核聚变技术应用于实际的能源生产中，以实现商业化发电的目标。
如今，要实现可控核聚变仍然面临着很多问题，其中一个是等离子体控制技术，就是如何从等离子体中获取能量，这需要精确理解在聚变过程中的行为，以保持其热度、密度和稳定性。最近一种新的理论模型关注等离子体边缘的行为，边缘可能变得不稳定并膨胀，这使得商业聚变能的前景更接近现实。
Jason Parisi，PPPL的一名研究人员和物理学家，他提出了一个新的模型，这个模型就像是给托卡马克这个大熔炉的边缘穿上了一件合身的稳定外衣。他作为主要作者，把这个模型的详细情况发表在了《核聚变》和《等离子体物理学》这两个专业的杂志上。这个模型特别关注的是托卡马克中一个叫做底座的区域，它位于熔炉的边缘，是一个特别容易动荡不安的地方。因为在这里，等离子体——也就是那种超热的气体的温度和压力会突然大幅度下降，就像夏天的雷阵雨一样，变化无常。
新模型值得注意，因为它是第一个匹配在美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室国家球形托卡马克实验中看到的底座行为。而传统的托卡马克形状像甜甜圈，NSTX是几个形状更像去核苹果的托卡马克之一。托卡马克比例的差异影响等离子体，正如模型所示，底座。
Jason Parisi和一群科学家们一起，探索了托卡马克这个大熔炉的底座，他们想知道要对这个熔炉里的等离子体，那种超热的气体施加多少压力，它才会开始变得不稳定，就像水加热到一定温度就会沸腾一样。
他们特别关注的是一种叫做膨胀不稳定性的现象，这就像是当你挤压一个长气球的一端时，气球的另一端会鼓起来一样。在托卡马克中，如果底座区域的等离子体受到太多压力，它也可能会这样鼓起来，变得不稳定。
Parisi说，他们开发的这个新模型，其实是在过去十年里人们一直在用的一个模型的基础上升级来的。他们让计算等离子体稳定性的方式变得更加精细和复杂，就像是用更高级的算法来预测天气一样。
为了建立这个模型，科学家们仔细研究了底座的高度和宽度这些测量值，想看看它们和那种膨胀不稳定性之间有什么关系。Parisi说，当他们第一次尝试这个新模型时，它就完美地适应了实际情况，这让他感到非常惊讶。他们甚至试图找出模型的弱点，想要挑战它的准确性，但结果却是，这个模型和实际的数据非常吻合，就像是为托卡马克量身定做的一样。
现有的模型，称为EPED，已知适用于甜甜圈形状的托卡马克，但不适用于球形品种。“我们决定尝试一下，只改变EPED的一部分，现在它工作得非常好，” Parisi说。结果还使研究人员更清楚地了解了两种托卡马克设计之间的对比。
“苹果形状和标准形状托卡马克的稳定性边界之间肯定有很大的差异，我们的模型现在可以某种程度上解释为什么存在这种差异，”他说。这些发现可能有助于最小化等离子体中断。
托卡马克的设计旨在增强等离子体的压力和温度，但不稳定性可能会破坏这些努力。例如，如果等离子体膨胀并触及反应堆壁，随着时间的推移，它可能会侵蚀壁。不稳定性还可以将能量从等离子体辐射出去。了解在不稳定性发生之前底座可以有多陡，可以帮助研究人员找到优化托卡马克比例的等离子体用于聚变反应的方法。
他补充说，尽管目前尚不清楚哪种形状更有优势，但模型建议其他实验将尝试利用苹果形状的积极方面，看看它们能提供多少好处。
从根本上说，新模型增强了我们对底座的理解，使科学家更接近实现设计一个聚变反应堆的更大目标，该反应堆产生的功率超过其消耗。
在Jason Parisi的研究系列中的第二篇文章里，他和团队深入探讨了EPED的模型，这个模型是用来预测聚变反应堆中那个超热气体（等离子体）的底座——也就是反应堆内圈那部分的高度和宽度的。
Parisi解释说：“聚变反应堆中心产生的能量，也就是我们得到的能量，对这底座的高度非常敏感。所以，我们想探索将来的聚变装置可能采用的各种形状，我们就得确保我们的预测是准确的。”
为了这项研究，Parisi开始分析国家球形托卡马克实验装置过去的实验数据，然后他们调整了等离子体边缘的形状。他注意到，仅仅改变形状，就能显著影响底座的宽度和高度比例。更有趣的是，他发现某些形状竟然可以对应多种不同的底座配置，尤其是在像NSTX和它的升级版NSTX-U这样的托卡马克装置中。这意味着，对于那些操作聚变反应的科学家来说，他们将来可能有机会选择不同的底座设计，比如选择一个陡峭的或者平缓的底座。
Parisi还提到：“当初人们开发这些底座模型的时候，目的是为了预测底座的尺寸，因为这些尺寸会大大影响聚变反应产生的能量，我们当然希望预测得尽可能准确。”但他也指出，目前的模型只考虑了等离子体的稳定性，还有许多其他因素需要在未来的研究中加以考虑和完善。
在Jason Parisi的第三篇论文中，他把目光投向了加热和燃料供应——这两个对聚变反应来说至关重要的因素。说得直白些，Parisi就像一位厨师，精心计算着如何给特定的等离子体“菜谱”添加适量的“调料”——也就是加热和燃料，以烹制出完美的聚变反应。他发现，那些形状陡峭的底座，就像需要更多火力的牛排，需要更多的加热才能达到理想的状态。
在这篇论文中，Parisi还探讨了一种叫做剪切流的现象，这就像在交通繁忙的十字路口，不同的车辆以不同的速度移动一样。他发现，当反应器内部某些部分涂上了锂这种“润滑油”后，剪切流的作用使得底座的宽度和高度大大增加，就像是给气球充气，让它变得更宽更大。Parisi说：“这似乎能让底座持续增长。”他甚至想象，如果我们能让整个托卡马克装置中的等离子体都变成底座，那么在这种极端陡峭的梯度下，我们就能获得极高的核心压力和聚变功率，这就像是让反应堆的“心脏”更加强大。
通过了解如何实现一个稳定且高功率的等离子体，研究人员向实现聚变能商业化这个终极目标迈出了更近的一步。
Jack Berkery，NSTX-U的研究副主任和这些论文的合著者，他评价说：“这三篇论文对于我们理解球形托卡马克的物理学至关重要，它们告诉我们等离子体压力是如何在这种结构中组织起来，在边缘急剧增加并在核心保持高压的。如果我们不理解这个过程，我们就不能自信地预测未来的设备，而这些研究在很大程度上帮助我们建立了这种信心。”这就像是在说，只有当我们彻底理解了所有这些复杂的物理过程，我们才能确信未来聚变反应堆的设计和运行。
