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  • 发现在托卡马克中,气泡会对核聚变所需的等离子体造成严重破坏

    气泡会对核聚变反应所需的等离子体造成严重破坏,这种气泡状的湍流在聚变等离子体边缘膨胀,并从边缘排出热量,限制了甜甜圈形状聚变设施中聚变反应的效率,这种聚变设施被称为“托卡马克”。美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员现在发现:气泡与限制装置核心中等离子体燃料聚变反应磁场波动之间存在令人惊讶的关联。

    发现在托卡马克中,气泡会对核聚变所需的等离子体造成严重破坏

    进一步研究这种相关性及其在磁聚变反应堆热量损失中的作用,将有助于在地球上产生为太阳等恒星提供动力的聚变能量。其研究成果发表在《等离子体物理》期刊上,研究的主要作者、物理学家斯图尔特·兹韦恩(Stewart Zweben)说:这些结果为我们理解托卡马克中等离子体边缘热损失增加了一个新的方面,这项研究还有助于我们理解斑点物理,有助于预测托卡马克聚变反应堆的性能。

    发现在托卡马克中,气泡会对核聚变所需的等离子体造成严重破坏

    图示:NSTX托卡马克边缘的螺旋式磁场波动图像。

    聚变反应结合了等离子体形式的轻元素(由自由电子和原子核组成物质的热、带电状态,构成了可见宇宙的99%)产生了大量的能量。科学家们正在寻求在地球上创造和控制核聚变,将其作为一种安全、清洁和几乎无限的能量来源来发电。PPPL研究人员去年在重新分析2010年在PPPL国家球面环面实验(NSTX)进行实验时发现了这一令人惊讶的联系,NSTX是今天国家球面环面实验升级(NSTX-U)的前身。

    发现在托卡马克中,气泡会对核聚变所需的等离子体造成严重破坏

    磁场中的斑点和波动被称为“磁流体动力学(MHD)”活动,在所有托卡马克中都会发生,传统上被认为是相互独立的。在2015年和2016年分析的实验中,第一条线索是大斑点轨迹的惊人规律性,这些斑点的移动速度大致相当于步枪子弹。这样的斑点通常在托卡马克等离子体边缘所谓“刮除层”中随机移动,但在某些情况下,所有大的斑点都以几乎相同角度和速度飞溅。

    发现在托卡马克中,气泡会对核聚变所需的等离子体造成严重破坏

    此外,每个大斑点出现在等离子体边缘的时间几乎总是相同,实际上与等离子体边缘主要的MHD活动频率一致。研究人员随后跟踪了斑点信号和MHD活动之间的相互关系,以测量所谓的“交叉相关系数”,研究用这个系数来评估2010年NSTX的一组实验。

    在这些实验中,大约有10%的实验表明这两个变量之间存在显着相关性。然后,科学家们分析了几种可能的相关性原因,但没有找到单一令人信服的解释。为了理解和控制这一现象,必须进行进一步的数据分析和建模。

    发现在托卡马克中,气泡会对核聚变所需的等离子体造成严重破坏

    博科园|研究/来自:普林斯顿等离子体物理实验室

    研究发表期刊《等离子体物理》

    DOI: 10.1063/5.0006515

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