科学家揭示了提高核聚变性能的挑战

时间:2020-06-25 22:01 来源:seo 作者:小可爱科技知识网 点击量:

科学家揭示了提高核聚变性能的挑战 由William & Mary物理学家领导的国家核聚变研究中心的一个研究小组在物理理解方面取得了重大进展,这代表着向实用核聚变能源迈出的关键一步。 这项研究发表在《核聚变》杂志的一篇文章中,有助于更好地解释三个变量之间的关系——等离子体湍流、电子在等离子体中的传输和核心中的电子密度。由于这些因素是聚变反应的关键因素,这一认识可以显著提高预测聚变等离子体性能和效率的能力,是实现商业聚变电厂的必要步骤。 “我们早就知道,等离子体中的核心电子密度、电子-离子碰撞和粒子运动之间存在联系,”William & Mary的Saskia Mordijck说,他是DIII-D多机构研究小组的负责人。“不幸的是,到目前为止,研究还没有能够解开这种关系与其他影响电子密度模式的因素之间的关系。” 威廉与玛丽大学物理系的助理教授莫迪杰指出,除了DIII-D的国际努力外,W&M大学还为欧盟的类似实验做出了贡献。 DIII-D是通用原子公司(General Atomics)为美国能源部科学办公室(Department of Energy’s Office of Science)运营的全国用户设施,是美国最大的磁融合研究设施。它拥有来自全球100多个机构的研究人员,其中包括40所大学。该设施的核心是一个托卡马克,它使用强大的电磁铁产生一个甜甜圈形状的磁容器来限制聚变等离子体。在DIII-D中,等离子体的温度通常比太阳高10倍以上。在如此高的温度下,氢的同位素可以融合在一起并释放能量。 在托卡马克中,聚变功率由温度、等离子体密度和约束时间决定。融合增益,用符号Q表示,是维持反应所需的融合功率与输入功率的比值,是设备效率的关键指标。在Q = 1时,达到了平衡点,但是由于热损失,自我维持的等离子体直到Q = 5时才达到。目前的系统已经实现了Q = 1.2的外推值。法国正在进行的ITER实验预计将达到Q = 10,但商业化的聚变电厂可能需要达到更高的Q值,才能更经济。 由于等离子体核心的电子密度是聚变增益的关键因素,科学家们正在开发实现更大峰值密度的方法。先前发现的一种有希望的方法是减少电子-离子碰撞,等离子物理学家称之为碰撞。然而,先前的研究无法建立密度峰值与碰撞性之间的确切关系,也无法将其与等离子体的其他特性分离开来。 DIII-D团队进行了一系列实验,仅改变等离子体的碰撞度,而保持其他参数不变。结果表明,低碰撞性通过形成粒子在等离子体中运动的内部屏障来提高电子密度,从而改变了等离子体的湍流。先前的研究表明,这种效应可能是由中性束注入等离子体加热引起的,但实验表明,这种效应与粒子输运和湍流有关。 DIII-D主任David Hill说:“这项工作极大地提高了对等离子体核心中电子行为的理解,这是一个对增加聚变增益非常重要的领域。”“这是未来商用反应堆向实用聚变能源迈出的又一重要一步。”
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