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科学家们提出了一种新的模型,该模型能更好地解释聚变障碍的来源,即所谓的“密度极限”

放大字体  缩小字体 发布日期:2018-12-02  浏览次数:20
核心提示:磁岛的几何形状显示出非对称效应,这是决定密度极限机制的关键。经菲斯同意转载。等离子体22,022514(2015)。版权所有:AIP出版有

磁岛的几何形状显示出非对称效应,这是决定密度极限机制的关键。经菲斯同意转载。等离子体22,022514(2015)。版权所有:AIP出版有限责任公司


美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员开发了一种详细的模型,用于解释核聚变反应中令人困惑的限制的来源。这一研究结果发表在本月的《等离子体物理学》(Physics of Plasmas)杂志上,它完成并证实了之前的PPPL研究,如果模型与实验数据相一致,可能会导致克服这一障碍的步骤。这篇论文的第一作者、物理学家大卫•盖茨(David Gates)表示:“我们曾经存在相关性。”“现在我们相信我们有因果关系。”


问题的关键是一个被称为“密度极限”的问题,这个问题阻止了被称为托卡马克(tokamaks)的环形聚变设施以最高效率运行。当燃料聚变反应的超热带电等离子体气体达到一定密度时,就会发生这种极限,并在一道闪光中螺旋分开,导致反应停止。克服这一限制可以促进核聚变作为一种安全、清洁和丰富的发电能源的发展。


根据论文,这种屏障的关键在于,在磁约束等离子体中形成并冷却的气泡状岛屿的失控增长。虽然物理学家们长期以来一直怀疑这种冷却效应与密度限制有关——也被称为“格林沃尔德极限”,以麻省理工学院物理学家马丁·格林沃尔德的名字命名,他为密度限制导出了一条经验法则——但他们对力学缺乏深入的见解。


盖茨和他的同事研究了这些岛屿被从托卡马克火山壁上喷发出来的游离等离子粒子所产生的杂质冷却的过程,这是一个明显的突破。研究人员将加热泵入等离子体来对抗这种冷却。但科学家们发现,即使是岛屿内部的极少量净冷却,也会导致它们呈指数级增长,导致流经等离子体的关键电流中断,从而完成将热气体凝聚在一起的磁场。


要达到这一发现,就需要重新思考有关岛屿增长的一些长期观点。其中包括1977年PPPL的理论家罗斯科•怀特(Roscoe White)关于岛屿稳定性的论文,该论文扩展了英国物理学家保罗•哈丁•卢瑟福(Paul Harding Rutherford) 1973年论文的分析。1977年的研究显示了一种稳定效应,它似乎压倒了后来法国物理学家保罗-亨利(Paul-Henri)反驳的一种效应的影响,后者试图证明这些岛屿的失控增长。


具有讽刺意味的是,正是怀特本人表明,他1977年的论文并不是关于这个问题的最终结论。在去年2月发表在《等离子体物理学》(Physics of Plasmas)杂志上的一篇新论文中,怀特证明,当一个岛屿的热平衡从加热到冷却发生倾斜时,这个岛屿也会变得不对称。这种不对称性抵消了1977年表示岛屿稳定的方程的影响,并使岛屿增长的反驳模型占主导地位。怀特说:“我不知道为什么我们以前没有想到岛上的热平衡。”


他的发现源于与盖茨的交谈,盖茨是怀特二月论文的PPPL物理学家迪伦·布伦南的合著者。盖茨回顾了核聚变实验中岛屿演化的数据,并注意到它们在密度极限时变得不对称。在咨询了怀特之后,盖茨提出这个发展可能很重要。然后,他和怀特将这种不对称的影响添加到卢瑟福/怀特和反驳方程中,以完成密度极限源的修正模型。


布伦南对该模型进行了数值模拟,PPPL物理学家路易斯•德尔加多-阿帕西奥(Luis Delgado-Aparicio)对不同杂质混合物对密度极限的影响等论文也即将发表。两人都加入了怀特的行列,共同撰写了盖茨的论文。此外,新模型还将与过去在密度限制下被破坏的实验进行比较。研究生钱腾正在做这些比较。怀特说:“到目前为止,我们已经证明,原则上整个方程是可行的。“现在,我们必须将其与具体的中断案例进行核对。”


 
 
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