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用于仿星器反应堆的直线圈为核聚变提供了新的形态

知新了了

2022-05-02 12:12北京

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科学家们正在通过各种实验反应堆设计,寻求从核聚变中获得清洁和无穷无尽的能源。其中一个更有趣的例子是:一个被称为“仿星器”的大致圆形的设备。虽然,这些产品的传统特征是形状不规则的磁线圈,但科学家们现在已经开发出了更简单、更直的版本,他们说这可以提供一些重要的好处。

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上图:研究作者 Caoxiang Zhu(左)和 Nicola Lonigro 为仿星聚变反应堆设计了新的磁线圈,比普通版本更直。

“仿星器”与另一种被称为托卡马克的流行聚变反应堆设计有一些相似之处,因为它们都被设计成通过一系列磁线圈将过热等离子体流限制在环形室中。在这样做的过程中,它们产生了原子核所需的热量和压力,以令人难以置信的速度碰撞形成氦,并释放大量能量。

但是,在托卡马克呈现出整齐而相对简单的甜甜圈形状的地方,恒星加速器则将它们的等离子流绕成不规则的圆圈旋转,这实际上提供了更大的稳定性。这些流是由同样不规则的磁线圈引导的,但这些线圈极其复杂,以至于有些需要超级计算机来设计。

如果,这些线圈的部分是相对直的,事情可能会变得更简单,这不仅会使仿星器的建造更简单,也会使维护更简单。然而,这将以牺牲反应堆的性能为代价。

这项新研究的主要作者、英国约克大学(University of York)博士候选人尼古拉·罗尼格罗(Nicola Lonigro)表示:“原则上,你总是可以制造出更直的线圈,但代价是,它们的磁场可能不会像缠绕线圈那样限制等离子体。但我们的研究表明,你可以制作出更简单、截面更直的线圈,从而与传统线圈具有相同的磁场形状和强度。”

尼古拉·罗尼格罗和同事们是通过实验一种叫做“样条表示”的数学技术来实现这一点的,他们用这种方法来改进生成磁线圈设计的计算机代码。这将使磁体的设计具有更直的部分,但仍然有足够强和准确的磁场来限制等离子体。作为演示,科学家们为威斯康星大学麦迪逊分校的实验仿星器设计了更直、更简单的新磁铁。

该论文的作者、来自中国科学技术大学的物理学家朱曹祥(音译)解释道:“未来,随着仿星器的磨损,人们将不得不更换它们中的组件,这需要磁铁线圈之间有大的开口。但在仿星器中很难有大开口,因为电磁线圈弯弯曲曲,非常复杂。”

尽管,这一突破令人印象深刻,但它也提醒我们,物理学家在试图实现核聚变时面临着无数复杂的问题。这些更直的线圈,只是一个难以置信的复杂谜题的一小部分,但有一天它可能会被证明是重要的,有助于使无限的清洁能源成为现实。

尼古拉·罗尼格罗表示:“从长远来看,这项工作将有助于努力使仿星器在商业上变得更为可行。”

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