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愚弄聚变燃料:如何约束不羁的等离子体

62 人参与  2021年04月27日 06:23  分类 : 物理  评论

作者约翰·格林沃尔德,普林斯顿等离子体物理实验室 在KSTAR控制室的物理学家钟圭朴(左)和纸上的数字(右)

信用:控制室照片由KSTAR提供;艾丽·斯塔克曼/PPPL通信办公室的拼贴画和右手照片

在地球上获取为太阳和恒星提供能量的融合能量的过程有时会被欺骗

美国大学的研究人员

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能源部普林斯顿等离子体物理实验室已经衍生并展示了一种称为“准对称”的微小技术,这种技术可以加速聚变能的发展,成为一种安全、清洁、几乎无限的发电能源

聚变反应将轻元素以等离子体的形式结合在一起,产生大量能量。等离子体是由自由电子和原子核组成的带电热物质状态,构成了99%的可见宇宙

世界各地的科学家都在寻求在称为托卡马克的环形聚变设施中再现这一过程,托卡马克将等离子体加热到百万度的温度,并将其限制在线圈产生的对称磁场中,以产生聚变反应

关键问题 这些努力的一个关键问题是维持在托卡马克内旋转的环形等离子体的快速旋转

然而,由磁场线圈的不对准引起的小的磁场失真或波纹会减缓等离子体的运动,使其更加不稳定

线圈错位和由此产生的磁场波动非常小,只有1/10000磁场的1/10000,但它们会产生重大影响

在未来的托卡马克中保持稳定,如ITER,法国的国际设施将展示聚变能的可行性,这对于收集能量发电至关重要

减小磁场波动影响的一种方法是增加额外的磁铁来抵消或消除磁场误差的影响

然而,磁场波动永远无法完全消除,直到现在也没有减轻其影响的最佳方法

新发现的方法要求通过抵消旋转等离子体粒子行进路径上的磁场误差来愚弄它们

PPPL物理学家朴钟圭是《物理评论快报》上一篇论文的主要作者,他提出了一种解决方案。他说:“保持旋转的同时保持稳定的一种方法是改变磁场的形状,这样粒子就会被愚弄,以为它们不会在起伏的磁场中运动。”

“我们需要使等离子体内部的3D场准对称,以欺骗粒子,使它们表现得好像不受场的影响,”帕克说

准对称 准对称是磁场对称的一种形式,由研究扭曲磁约束系统的物理学家引入,被称为星状器,可以用来最小化托卡马克中三维场的负面影响

这种最小化可以通过增强等离子体的旋转流动来改善等离子体的能量限制和稳定性

该论文的合著者、PPPL物理学家拉菲·纳齐克安说:“如果你能修改这些三维场,以减少粒子从它们开始的地方漂移的趋势,那么我们就能维持自然的等离子体旋转以及粒子和热量的限制。”

Park和他的同事已经演示了准对称的使用,使托卡马克中的误差场波动基本上无害

圣地亚哥的通用原子公司的DIII-D国家聚变设施和韩国的超导托卡马克高级研究设施的测试显示了积极的结果

该论文称,该过程“为聚变燃烧等离子体中的综合误差场优化提供了一条可靠的途径”

虽然这种优化至关重要,但科学家通常会利用磁场波动来解决其他问题

例如,在DIII-D上,研究人员使用特殊线圈来减少或消除边缘局域模(ElMS)——可能损坏托卡马克内部的爆炸性热爆发

重要的例子 这类案例是善用涟漪的最重要的例子,新的发现标志着在处理不好的方面的突破

“钟圭已经把算法应用到托卡马克麻烦的三维磁场中,使其达到一个新的水平,”该论文的合著者卡洛斯·帕斯-索尔丹说,他是一名DIII-D物理学家,现在是哥伦比亚大学的副教授

帕斯-索尔丹说:“这个框架肯定会成为这些油田未来开发控制策略的基础。”

科学家们也在积极追求准对称的概念,以优化本质上与3D场一起运行的星形聚变设施的设计

这一概念已经成功地将星形装置中的热量和颗粒损失降至最低,这是一个长期存在的问题,因为这种油条形装置使用一组复杂的扭曲线圈,这些线圈像糖果棒上的条纹一样盘旋,以产生磁场

星状器的工作说明了准对称在聚变研究中的广泛适用性

帕克说,下一步将把这个概念应用到ITER,“这样我们就能很好地纠正托卡马克中的误差场

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