对等离子体中热量突然崩塌的新解释有助于在地球上产生聚变能

时间:2020-04-06 18:39 来源:seo 作者:杏鑫 点击量:

对等离子体中热量突然崩塌的新解释有助于在地球上产生聚变能

科学家们试图将为太阳和恒星提供能量的聚变反应带到地球上,但他们必须解决锯齿状的不稳定性,即为聚变反应提供燃料的等离子体的中心压力和温度的上下波动,类似于锯齿状的锯片。如果这些波动足够大,它们会导致整个等离子体放电的突然崩溃。这种波动最早是在1974年被观测到的,到目前为止还没有一个被广泛接受的解释实验观测结果的理论。

与观测相一致

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子物理实验室(PPPL)的研究人员提出了一种新的理论来解释在甜甜圈形状的托卡马克或核聚变设施中发生的摆动。研究人员说,这一理论是通过高保真度的计算机模拟得出的,与托卡马克实验期间的观察结果似乎是一致的。理解这一过程对下一代核聚变设施至关重要,比如正在法国进行的验证核聚变能量实用性的国际实验ITER。

聚变以等离子体的形式将轻元素结合在一起,等离子体是由自由电子和原子核组成的热荷态物质,它能产生大量的能量。寻求在地球上复制核聚变的科学家们打算提供几乎取之不尽的安全、清洁能源来发电。

最近的研究结果表明,当等离子体核心的压力达到一定程度时,其他的不稳定性会被激发,从而导致压力和温度的突然下降。物理学家斯蒂芬·贾丁(Stephen Jardin)说,这些不稳定性会在等离子体的核心产生混乱的——或随机的——磁场,从而导致等离子体的坍塌。贾丁是一篇描述等离子体物理过程的论文的第一作者,这篇论文在美国物理研究所(American Institute of Physics)的特色刊物《SciLight》上发表。

“托卡马克的大多数放电都呈锯齿状,”贾丁说,“我们正试图提供它们背后的物理学理论。”

这一新发现与长期以来的理论大相径庭,该理论认为,造成磁场波动的是导致磁场重新连接的不稳定性,即等离子体中磁场线的断裂和断裂。“这个理论已经存在了40多年,”Jardin说。

激发新理论

激发这一新理论的是先前的PPPL研究,该研究证明了被认为会导致磁重联的不稳定性实际上是如何使等离子体自我稳定的。它通过产生局部电压来阻止等离子体核心的电流达到足够的峰值,从而使其不受磁重连的影响。

新的解释认为,即使磁重联被抑制,等离子体核心的热量增加可以激发局部的不稳定性,这些不稳定性共同作用使锯齿周期内的压力和温度降低。由Jardin和PPPL物理学家Nate Ferraro(论文作者之一)开发的代码生成的模拟演示了这一过程。这种新的不稳定性可能增长得很快,这与传统理论无法解释的实验中出现的热迅速崩塌是一致的。

该模型为理解锯齿现象提供了一种新的方法。展望未来,科学家们希望探索该模型在诸如描述“怪物锯齿”的进化和使用高能无线电频率天线控制锯齿摆动等任务中的适用性。“我们想要开发一个托卡马克等离子体的仿真模型,”Jardin说,“这种锯齿状的新理论是这项工作的重要组成部分。”

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