未來旨在捕獲和控制核聚變能量的設(shè)施設(shè)備，一個(gè)關(guān)鍵要求是準(zhǔn)確預(yù)測(cè)等離子體的壓力，等離子體是一種熱的帶電氣體，在容納反應(yīng)甜甜圈形狀的托卡馬克內(nèi)為聚變反應(yīng)提供燃料。

這些預(yù)測(cè)的核心是預(yù)測(cè)刮離層(SOL)(等離子體邊緣的薄帶氣體)對(duì)偏濾器（排出聚變反應(yīng)產(chǎn)生廢熱的設(shè)備）施加的壓力。美國能源部(DOE)普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的科學(xué)家，對(duì)刮離層壓力平衡的物理機(jī)制提出了新見解。

這種平衡必須確保整個(gè)托卡馬克的等離子體壓力足夠高，以產(chǎn)生很大程度上的自熱聚變反應(yīng)。天平還必須限制熱和等離子體粒子撞擊偏濾器和托卡馬克的其他面向等離子體組件的潛在破壞性影響。PPPL物理學(xué)家Michael Churchill說：以前關(guān)于刮離層壓力平衡的簡(jiǎn)單假設(shè)不完整，模擬刮離層的代碼常常丟棄了物理學(xué)的重要方面，現(xiàn)在開始認(rèn)識(shí)到這一點(diǎn)。聚變是驅(qū)動(dòng)太陽和恒星的動(dòng)力，是以等離子體形式的輕元素聚變，由自由電子和原子核組成的物質(zhì)熱帶電狀態(tài)：產(chǎn)生大量能量。

科學(xué)家們正在尋求在地球上復(fù)制聚變，以獲得幾乎取之不盡的能量供應(yīng)來發(fā)電。普林斯頓等離子物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家通過在國家能源研究科學(xué)計(jì)算中心(NERSC)的CORI和愛迪生超級(jí)計(jì)算機(jī)上運(yùn)行最先進(jìn)的XGCa計(jì)算機(jī)代碼，確定了壓力平衡背后的關(guān)鍵因素，NERSC是美國能源部科學(xué)辦公室的用戶設(shè)施。該代碼在詳細(xì)的動(dòng)力學(xué)或粒子運(yùn)動(dòng)水平上處理等離子體，而不是將其視為流體。發(fā)現(xiàn)的關(guān)鍵特征之一是離子的體積漂移的影響，這一影響以前的代碼在很大程度上被忽略了。

然而這樣的漂移“可以發(fā)揮不可或缺的作用”，并且“非常重要，需要考慮”。在動(dòng)量或壓力平衡中也被視為重要的是動(dòng)力學(xué)粒子效應(yīng)，這是由于離子根據(jù)其方向具有不同的溫度。由于刮層中離子的溫度很難測(cè)量，所以應(yīng)該加大診斷力度，準(zhǔn)確測(cè)量離子溫度和流量，從而更好地了解離子在溶膠中的作用。新發(fā)現(xiàn)可以提高對(duì)偏濾器刮層壓力的理解，并可能促使對(duì)正在法國建設(shè)的國際熱核實(shí)驗(yàn)堆和其他下一代托卡馬克更準(zhǔn)確的預(yù)測(cè)。

博科園｜研究/來自：普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《Nuclear Fusion》

DOI: 10.1088/1741-4326/ab2af9

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