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最新成果揭示等离子体中的突然崩溃,离可控核聚变还远吗?

寻求将为太阳和恒星提供动力的核聚变,带到地球上的科学家必须处理锯齿不稳定性,即推动核聚变反应的等离子体中心压力和温度的上下波动,类似于锯齿状的锯片。

寻求将为太阳和恒星提供动力的核聚变,带到地球上的科学家必须处理锯齿不稳定性,即推动核聚变反应的等离子体中心压力和温度的上下波动,类似于锯齿状的锯片。如果这些摆动足够大,它们可能会导致等离子体的整个放电突然崩溃。这种摆动最早是在1974年观察到,到目前为止,还没有一个被广泛接受的解释实验观察的理论。

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家,提出了一种新理论来解释在甜甜圈状托卡马克或聚变设施中发生的摆动,这一理论是通过高保真计算机模拟创建,似乎与托卡马克实验期间的观察结果一致。了解这一过程可能对下一代聚变设施至关重要,如ITER,这是正在法国建设的国际实验,以证明聚变能的实用性,核聚变将轻元素以等离子体的形式结合在一起。

等离子体是由自由电子和原子核组成物质的带电状态,可以产生大量的能量。寻求在地球上复制核聚变的科学家们,打算用此提供几乎取之不尽的安全和清洁电力供应来发电。新的研究结果表明,当等离子体核心的压力达到某一点时,可以激发其他不稳定性,从而产生突然的压力和温度下降。物理学家斯蒂芬·贾丁说:这些不稳定性在等离子体核心产生了混乱或随机的磁场,导致了坍塌。

贾丁是发表在《等离子体物理学》期刊上研究的主要作者,并在美国物理研究所《科学之光》特色出版物中强调了这一点。贾丁说:大多数托卡马克放电都呈现锯齿状,我们正试图提供它们解释背后的物理理论。新发现与一个长期的理论截然不同,该理论认为,导致摆动的是一种导致磁重联的不稳定性,即等离子体中的磁力线断裂和断裂重新连接在一起,这个理论已经存在了40多年了。

激发新理论的动力

推动这一新理论是之前的普林斯顿等离子体物理实验室研究,该研究证明了被认为导致磁重联的不稳定性,实际上可以自稳定等离子体。它通过产生局域电压来实现这一点,该电压可以防止等离子体核心中电流达到足以经受磁重联的峰值。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也会激发局部不稳定,这些不稳定在锯齿循环期间共同作用,使压力和温度变平。

由Jardin和PPPL物理学家Nate Ferraro开发的代码模拟演示了这一过程,Nate Ferraro是研究的合著者之一,新的不稳定性可以非常迅速地增长,这与传统理论无法解释实验中看到的热量迅速崩溃是一致的。这一先进的模型,为理解锯齿现象提供了新的途径。展望未来,科学家们希望探索该模型在描述“怪兽锯齿”进化和使用高功率射频天线控制锯齿摆动等任务中的适用性。

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