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发现一种新方法,可以防止等离子体中的磁泡,干扰核聚变反应!

物理

2022-05-05 12:08云南

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科学家们已经找到了一种新方法来防止等离子体中令人讨厌的磁泡(磁岛)干扰核聚变反应,这为提高核聚变能源设备的性能提供了一种潜在方法。它来自于管理射频(RF)波以稳定磁泡,这可能会扩大并造成干扰,从而限制ITER的性能,ITER是正在法国建设的国际设施,以证明聚变电力的可行性。美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家,已经开发出控制这些磁泡(磁岛)的新模型。

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这种新方法修改了将射频射线稳定地沉积到等离子体中以稳定磁泡的标准技术,当磁泡宽度与射频射线沉积其能量的区域的特征大小相比小时,这一技术被证明是无效的。这个区域表示“阻尼长度”,在没有任何非线性反馈的情况下,射频功率通常存放在该区域上。当区域的大小大于磁泡宽度时,这种情况被称为“低阻尼”,射频功率的有效性可能会大大降低,因为大量的能量会从磁泡泄漏出来。

托卡马克,即可能遇到此类问题的甜甜圈形状核聚变设施,是世界各地科学家使用最广泛的设备,他们寻求产生和控制核聚变反应,以提供几乎取之不尽的安全和清洁电力供应来发电。这样的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的物质状态,构成了可见宇宙的99%,产生了驱动太阳和恒星的大量能量。普林斯顿等离子体物理项目的研究生金素英(音译)说:

磁泡与阻尼

新模型预测,将射线沉积在脉冲而不是稳态流中可以克服泄漏问题。在平均功率相同的情况下,脉冲也可以在高阻尼情况下实现更大的稳定性。要使这个过程起作用,脉冲的速度必须既不太快也不太慢,这个甜蜜点应该与磁泡通过扩散散热的速度一致。新模型借鉴了合著者和顾问艾伦·雷曼(Allan Reiman)、纳特·菲什(Nat Fisch)教授过去的研究。

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其研究为研究射频功率沉积稳定磁岛(磁泡)提供了非线性框架。在很大程度上扩展了可以用来解决现在被认为是使用托卡马克方法,进行经济核聚变所面临关键问题的工具。托卡马克受到这些自然形成的不稳定磁泡困扰,这些磁泡会导致灾难性的突然等离子损失。研究不仅提出了新的控制方法,对这些新预测影响的识别可能会迫使科学家重新评估过去的实验结果,在这些实验结果中,这些影响可能起到了没有被认识到的作用。

现在正着手于具体的实验,这些实验可以检验起作用的机制,并准确地指出如何最好地控制这些灾难性的不稳定因素。最初的射频沉积模型表明,它会提高温度,并在磁泡中心驱动电流,以阻止磁泡的生长。然后,非线性反馈在电力沉积和磁泡温度变化之间发挥作用,这使得稳定性得到了极大的改善。控制这些温度变化的是磁泡边缘等离子体中的热量扩散。

原始模型

然而,在阻尼长度小于磁泡大小的高阻尼区域,这种同样的非线性效应会在稳态沉积过程中产生一个称为“阴影”的问题,导致射频射线在到达磁泡中心之前耗尽能量。首先研究了脉冲射频方案来解决阴影问题,然而,事实证明,在高阻尼的情况下,非线性反馈实际上会导致脉冲加剧阴影,射线耗尽的时间甚至更早。所以研究人员反转了这个问题,发现非线性效应可以导致脉冲,从而减少低阻尼情况下从磁泡泄漏出来的能量。

这些预测的趋势自然适合实验验证,这样的实验旨在表明脉冲会增加磁泡的温度,直到达到最佳的等离子体稳定。

博科园|研究/来自:普林斯顿等离子体物理实验室

参考期刊《等离子体物理》

DOI: 10.1063/5.0007861

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