关于聚变等离子体边缘的发现可以帮助实现聚变能力

在地球上产生安全,清洁和丰富的聚变能量的主要障碍是,缺乏对促进聚变反应的带电高温等离子气体在称为“托卡马克”的聚变设施边缘的行为的了解。美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究人员最近取得的突破性进展,使他们对沿环形甜甜饼托卡马克中高度复杂的等离子体边缘的行为有了更深入的了解,从而捕获了为太阳和太阳提供动力的聚变能。星。了解这一边缘区域对于ITER的运行特别重要,ITER是法国正在建设的国际聚变实验,旨在证明聚变能的实用性。

首次发现

在第一个同类发现中,一项发现是,将磁场限制在为聚变反应提供燃料的等离子体中,这种湍流波动可以显着降低等离子体边缘附近的湍流粒子通量。计算机模拟显示,尽管湍流粒子密度波动的平均幅度增加了60%,但净粒子通量仍可降低多达30%,这表明尽管湍流密度波动的影响更大,但它们仍然是将粒子移出设备的效率降低。

研究人员已经开发了一个名为“ Gkeyll”的专用代码,使这些模拟变得可行,该代码在罗伯特·路易斯·史蒂文森(Robert Louis Stevenson)的“杰基尔博士和海德先生的奇怪案例”中读作“杰基”。数学代码是一种建模形式,称为“陀螺动力学”,可模拟等离子体粒子围绕聚变等离子体边缘处的磁力线运动。

PPPL物理学家《等离子物理学》论文的主要作者阿姆马尔·哈基姆(Ammar Hakim)说:“我们最近的论文总结了Gkeyll小组在陀螺运动仿真领域的努力。”他根据在美国发表的特邀演讲概述了该小组的成就。去年秋天,物理学会等离子体物理分会(APS-DPP)会议。哈基姆说,这项研究是由来自六个机构的科学家合着的,该技术将最先进的算法应用于陀螺动力学系统,以开发出“提供精确仿真所需的关键数值突破”。

全球努力

这些突破是掌握地球聚变反应背后科学的全球性努力的一部分。聚变反应将等离子形式的轻元素结合在一起,即由自由电子和原子核组成的热的带电状态,占可见宇宙的99%,这种状态产生大量的能量,可以提供几乎不竭的动力为人类发电。

诺阿·曼德尔(Noah Mandell)是普林斯顿大学等离子体物理课程的研究生,他在该团队的工作基础上开发了第一个陀螺动力学代码,该代码能够处理在托卡马克等离子体边缘的所谓等离子体刮除层(SOL)中的磁波动。 。英国等离子体物理杂志发表并突出了他的报告作为专题文章。

曼德尔探讨了类似斑点的等离子体湍流如何弯曲磁场线,从而产生“跳舞场线”的动力学。他发现场线通常会平稳移动,但是当跳舞时,场线可能会突然重新配置为重新连接事件,从而导致它们收敛并剧烈分开。

他说,曼德尔的发现最好被描述为关于电磁波动的“概念验证”。他说:“我们知道有更多的物理效应需要添加到代码中,以便与实验进行详细比较,但是仿真已经显示出在等离子体边缘附近的有趣特性。” “处理磁场线弯曲的能力对于边缘局部模式(ELM)的未来仿真也必不可少,我们希望这样做更好地了解它们所引起的热量爆发,必须对其进行控制以防止托卡马克损坏。 ”

很有挑战性

Mandell指出,使这一发现与众不同的是,以前的动力学代码已经模拟了SOL斑点,但假设磁场线是刚性的。扩展陀螺动力学代码以计算磁场线的运动在计算上非常具有挑战性,需要特殊的算法来确保两个大项相互平衡,精度达到百万分之一。

此外,虽然模拟托卡马克核心湍流的代码可能包含磁波动,但此类代码无法模拟SOL区域。曼德尔说:“ SOL需要专门的代码,例如Gkeyll,它可以处理更大的等离子体波动以及与反应器壁的相互作用。”

Gkeyll研究小组的未来步骤将包括研究影响等离子体边缘动力学的精确物理机制,这种效应可能与弯曲磁场线有关。哈基姆说:“这项工作提供了我认为非常重要的垫脚石。” “如果没有我们制定的算法,这些发现将很难应用于ITER和其他机器。”

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