研究人員利用超級計算機發(fā)現(xiàn)改善聚變約束的新線索

核聚變——兩個原子核結(jié)合形成一個新原子核，從而釋放能量——可能是未來清潔、可靠、無限的能源。但首先，科學(xué)家必須學(xué)會如何控制核聚變的產(chǎn)生。

基于數(shù)十年的研究，科學(xué)家們已經(jīng)開發(fā)出先進(jìn)的技術(shù)來改善托卡馬克聚變反應(yīng)堆中超熱等離子體的限制。托卡馬克是一種系統(tǒng)，它使用圍繞環(huán)形腔室的大型磁線圈來控制由氫燃料形成的帶電等離子體粒子。

托卡馬克的約束受到湍流引起的微小但穩(wěn)定的熱量損失的限制——同樣的效果也會導(dǎo)致飛機飛行不穩(wěn)定或咖啡中奶油復(fù)雜的漩渦。

改善托卡馬克約束的一個重要方法是常用的中性束注入(NBI)系統(tǒng)的副產(chǎn)品。NBI 使用強粒子束將等離子體加熱到 1.5 億攝氏度(比太陽核心高 10 倍)以發(fā)生聚變。除了加熱等離子體外，該光束還使等離子體圍繞托卡馬克腔體旋轉(zhuǎn)。人們普遍認(rèn)為這種旋轉(zhuǎn)可以提高約束質(zhì)量。

然而，美國能源部橡樹嶺國家實驗室在 Frontier 超級計算機上進(jìn)行的一項新研究揭示了這條規(guī)則的重要例外。

在《等離子體物理與受控聚變》雜志發(fā)表的一篇論文中，通用原子公司和加州大學(xué)圣地亞哥分校的研究人員通過對托卡馬克外壁附近等離子體邊緣湍流的精確百億億次模擬，揭示了令人驚訝的結(jié)果。

“等離子體邊緣區(qū)域非常重要，因為它決定了等離子體中能量和熱量的整體約束。但計算這個邊緣區(qū)域的湍流非常困難。要做到這一點，你必須捕捉到非常重的離子和非常輕的電子之間的微妙相互作用——這種相互作用經(jīng)常被忽視，”圣地亞哥通用原子公司的物理學(xué)家、論文的主要作者艾米麗·貝利說。

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