关键性发现预示着聚变能反应堆进展的巨大飞跃

2023-10-02 10:53:40 来源：cnBeta

一个研究小组推出了一种方法，用于减轻托卡马克核聚变装置中电子失控的破坏性。该方法利用阿尔芬波来破坏电子失控的破坏性循环。这对未来的核聚变能源项目具有重大意义，并对正在法国进行的国际热核聚变实验堆（ITER）项目产生了潜在影响。

普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的刘昌领导的科学家们公布了一种很有前途的方法，可以减轻托卡马克核聚变装置中因中断而产生的破坏性失控电子。该方法的关键是利用一种独特的等离子体波，这种波以天体物理学家、1970 年诺贝尔奖获得者汉内斯-阿尔弗文（Hannes Alfvén）的名字命名。

长期以来，人们一直知道阿尔弗文波会松动托卡马克反应堆中高能粒子的束缚，使一些粒子逃逸，从而降低这种圆环形装置的效率。然而，刘畅和通用原子能公司、哥伦比亚大学以及 PPPL 的研究人员的新发现发现了电子失控情况下的有益结果。

(资料图)

明显的循环过程

科学家们发现，在高能电子形成雪崩损坏托卡马克组件之前，这种松动可以扩散或散射高能电子。这一过程被确定为显著的循环过程：失控产生的不稳定性会产生阿尔弗波，从而阻止雪崩的形成。

"这些发现为在破坏实验中直接观测到阿尔弗韦恩波提供了全面的解释，"PPPL 的职员研究员、《物理评论快报》上一篇详细介绍这些结果的论文的第一作者 Liu 说。"这些发现在这些模式和失控电子的产生之间建立了明显的联系。"

刘畅图片来源：Elle Starkman

研究人员为这些相互作用的显著圆周性推导出了一种理论。研究结果与DIII-D国家聚变设施（DIII-D National Fusion Facility）实验中的失控现象非常吻合，DIII-D国家聚变设施是能源部的托卡马克装置，由通用原子公司（General Atomics）为科学办公室（Officeof Science）运营。在橡树岭国家实验室的 Summit 超级计算机上对该理论的测试也证明了这一点。

PPPL 理论部主任 Felix Parra Diaz 说："刘畅的研究表明，失控电子群的大小可以通过失控电子本身驱动的不稳定性来控制。他的研究非常令人兴奋，因为这可能会导致托卡马克设计通过固有的不稳定性自然减轻失控电子的破坏。"

热淬火

核聚变反应所需的百万摄氏度温度急剧下降时，就会出现破坏。这些温度骤降被称为"热淬火"，会释放出类似地震引发的山体滑坡的失控雪崩。控制干扰是托卡马克成功的首要挑战。

聚变反应将轻元素以等离子体的形式结合在一起--等离子体是一种高温、带电的物质状态，由自由电子和称为离子的原子核组成--从而释放出为太阳和恒星提供能量的巨大能量。因此，降低中断和电子失控的风险将为旨在重现这一过程的托卡马克设施带来独特的好处。

因此，降低中断和电子失控的风险将为设计用于重现该过程的托卡马克设施带来独特的好处。

核聚变能源可以成为补充可再生能源的关键性可持续能源。世界上最大的核聚变实验--ITER 正在法国建造。资料来源：ITER 组织

这种新方法可能会对正在法国建造的国际热核聚变实验堆（ITER）的发展产生影响，该实验堆旨在证明核聚变能源的实用性，同时也标志着核聚变发电厂的发展迈出了关键一步。

刘说："我们的发现为制定新的策略来缓解电子失控奠定了基础。现在正处于规划阶段的是实验活动，所有三个研究中心的目标都是进一步发展惊人的失控发现。"

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