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当鸟类鸣叫时,等离子体不应该出现-新发现可以促进聚变能

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们进一步了解了一种障碍,这种障碍可以阻止被称为托卡马克的甜甜圈形状的核聚变设备的高效运行,因为这种设备会导致生命热量流失。

PPPL物理学家罗斯科领导的白色,该研究小组使用计算机来模拟等离子体的一种运动,可以撞高能粒子从核心优势,这一现象可以发生在ITER,跨国托卡马克建在法国展示融合作为能源的可行性。

PPPL物理学家Vinicius Duarte在《等离子体物理学》中报告了研究结果,他说:“要让聚变装置工作,你需要确保其中的高能粒子被很好地限制在等离子体核心内。”“如果这些粒子漂移到等离子体的边缘,就无法维持稳定燃烧的等离子体,而这是实现聚变发电所必需的。”

Duarte指的是一种被称为“啁啾”的现象,当等离子体波与高能量粒子相互作用的频率突然改变时,就会发生这种变化,最终导致能量从等离子体核心逃逸,并产生迅速变化的音调。这项新发现阐明了托卡马克鸣叫的形成过程,可以帮助研究人员弄清楚如何阻止鸣叫并保持生命温度。防止突然的频率变化也可以保护托卡马克墙免受突然释放的集中和破坏性的能量爆发。

核聚变将轻元素以等离子体的形式结合在一起,并在恒星中产生大量的能量。等离子体是由自由电子和原子核组成的热的带电物质。科学家们的目标是在地球上复制核聚变装置,以获得几乎取用不尽的安全和清洁能源来发电。

研究人员利用计算机模拟显示了等离子体粒子团运动的非常详细的视图,揭示了一些导致啁啾的机制,这给科学家们带来了希望,可以找到改善其影响的方法。科学家使用PPPL代码轨道来计算等离子体粒子的位置和速度在三维空间中如何随时间变化。模拟显示,当核心中快速移动的粒子与穿过等离子体的波动波相互作用时,就会发出啁啾声,并自发地形成团块,迁移到等离子体边缘。研究结果证实了早期基于简化托卡马克结构的结果;它们还揭示了前所未有的更丰富、更复杂的动态变化。

这种与等离子体粒子的相互作用导致所谓的等离子阿尔芬波的频率同时上升和下降,将这些团块弹射到等离子体边缘,有时也弹射到等离子体壁上。Duarte说:“这项研究中开发的工具使我们得以窥见托卡马克鸣叫中复杂的、自组织的动态变化。”

科学家们必须创造新的虚拟工具来观察模拟波的运动。怀特说:“最困难的事情是发明诊断方法,清楚地显示出正在发生的事情。”“在某种意义上,这就像建造一个显微镜,让你看到你需要看到的东西。”

这项新发现延续了PPPL理论部门成员长期以来的努力,他们专注于理解啁啾,尤其是在PPPL的国家托卡马克实验升级(NSTX-U)中。怀特说:“如果你了解它,你就能找到不用它也能运行核聚变设施的方法。”

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