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核聚变燃料研究:如何控制不守规矩的等离子体

核聚变 核燃料 等离子体 磁约束
发布:2021-04-27 14:03:41    

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员推导并证明了一些微不足道的“准对称性”,可以加速聚变能作为安全,清洁和几乎无限发展的发电来源。

聚变反应将等离子体形式的轻元素结合在一起,产生大量的能量,等离子体是由自由电子和原子核组成的热的带电状态,原子核构成可见宇宙的99%。世界各地的科学家正在寻求在称为托卡马克的甜甜圈形聚变设备中重现该过程,该设备将等离子体加热到百万度的温度,并将其限制在线圈产生的对称磁场中,以产生聚变反应。

关键问题

这些努力的关键问题是保持在托卡马克中旋转的甜甜圈形等离子体的快速旋转。但是,由于磁场线圈未对准而引起的较小的磁场畸变或波动会减慢等离子体的运动,使其更加不稳定。线圈未对准和由此产生的磁场波动很小,在磁场的10,000个部分中仅为1个,但是它们会产生很大的影响。

在未来的托卡马克上保持稳定,如国际热核实验堆(ITER),这是在法国兴建的国际设施,用以证明聚变能的可行性,对于收集产生的能量至关重要。最小化磁场波动影响的一种方法是添加额外的磁体,以抵消或治愈磁场误差的影响。但是,磁场纹波永远无法完全消除,到目前为止,还没有最佳的方法来减轻其影响。

新发现的方法要求通过消除沿其行进路径的磁场误差来欺骗旋转的等离子体粒子。PPPL物理学家朴钟圭(Jong-Kyu Park)说:“在保持稳定性的同时保持旋转的一种方法是改变磁场的形状,以使粒子被误认为它们不在波动的磁场中运动。”纸在物理评论快报(PRL),其提出了一种解决方案。帕克说:“我们需要使等离子体内部的3D场准对称,以使粒子表现出良好的行为,好像它们不受这些场的影响一样。”

拟对称

准对称性是物理学家研究扭曲磁场限制系统(称为恒星器)引入的一种磁场对称形式,可以用来最小化托卡马克中3D场的负面影响。这样的最小化可以通过增强等离子体的旋转流来改善等离子体的能量限制和稳定性。

PPPL物理学家Raffi Nazikian说:“如果您可以修改这些3D场以减少粒子偏离其起点的趋势,那么我们就可以保持自然的等离子体旋转以及粒子和热量的约束。”的纸。

Park和同事已经证明了使用准对称性可以使托卡马克中的误差场波动大体上无害。对位于圣地亚哥的通用原子(GA)的DIII-D国家融合设施和位于韩国的韩国超导托卡马克高级研究(KSTAR)设施进行的测试显示出了积极的结果。该论文称,该过程“为聚变燃烧等离子体中的综合误差场优化提供了可靠的途径”。

尽管这种优化至关重要,但科学家通常使用磁场波动来应对其他问题。例如,在DIII-D上,研究人员使用特殊的线圈来减少或消除边缘局部模式(ELM),这是一种爆炸​​性的热冲击,会损坏托卡马克的内部。

重要例子

此类情况是很好地利用纹波的最重要例子,新发现标志着在处理不良纹波方面的突破。该论文的共同作者,DIII-D物理学家,现为哥伦比亚大学副教授。Paz-Soldan说:“这个框架肯定会成为这些领域未来控制策略发展的基础。”

科学家们还积极追求准对称性的概念,以优化与3D场本质相关的恒星融合技术的设计。该概念已证明在最小化恒星器中的热量和颗粒损失方面取得了成功,这是使用一系列复杂的扭绞线圈(在棒棒糖上像条带一样螺旋形缠绕以产生磁场)形成的圆棒状设备的长期存在的问题。

恒星的工作说明了准对称在融合研究中的广泛应用。帕克说,下一步将是将该概念应用于国际热核实验堆,“以便我们能够做得更好,以纠正该托卡马克中的错误字段。”

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