美科学家推导出核聚变“热密度界限”方程
时间:2017-12-07

  科学网 - 美国科学家推导出核聚变“热密度极限”方程

  托卡马克融合环装置

  长期以来,出现了一个惊人的现象,导致研究人员未能实现可控自持的聚变反应。不过,美国物理学家最近表示,他们可能已经找到了解决这个谜团的方法。研究人员认为,如果新提出的解决方案经过实验验证,将有助于消除发展核聚变的主要障碍之一,使核聚变成为清洁和丰富的电力来源。

  核聚变一直是一个问题

  在深入分析中,美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在核聚变实验中集中研究了高温带电等离子体的小岛状泡沫状岛状区域,这些岛屿含有杂质,等离子体冷却,科学家们认为正是这些岛屿是众所周知的热密度边界的基础,阻碍了核聚变反应堆的最高效运行。

  当等离子体的温度和密度足够高时,其中所包含的核结合并释放出能量,形成人们所说的核聚变。然而,当托卡马克回路实验反应堆中的等离子体达到神秘的热密度极限时,等离子体可以旋转以形成闪光,并且温度下降。

  科学家认为,等离子体中有许多岛屿带来了双重破坏。除了导致等离子体温度下降之外,这些岛还充当屏蔽以阻挡更多的能量来加热岛内的等离子体。当从岛上溢出的能量超过人们通过欧姆加热可以添加到等离子体中的能量时,平衡被打破。随着岛屿变得足够大,用于帮助加热并使等离子体与加热结合的电流崩溃并且等离子体瓦解。

  大卫·盖茨是美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家,实验室的博士后研究员,麻省理工学院等离子体科学融合中心的访问学者Louis Delgado-Aparecchio联合提出了一个解决方案对核聚变密度的划分问题。盖茨说,令人费解的是,为什么更多的能量加入到等离子体中,但是仍然不能达到更高的热密度,这是至关重要的,因为热密度是核聚变的重要参数。

  总结新的知识

  盖茨说,他们无意中发现了这个理论,每隔10分钟一刻。通过关注等离子体中的岛屿和能量携带的杂质,他们找出了办公室白板上的相应方程。杂质来源于等离子体撞击托卡马克环壁时产生的粒子。德尔加多 - 阿帕里奇奥表示,当等离子体密度达到神秘的发热密度极限时,等离子体岛上会出现大量杂质并坍塌。

  麻省理工学院物理学家马丁·格林沃尔德(Martin Greenwald)推导出一个描述热密度边界的方程,所以热密度边界也被称为格林瓦尔德边界。格林伍德对热量致密化的原因有他自己的解释,他认为当湍流引起等离子体的边缘冷却并将太多的离子挤入等离子体的狭窄核心时,会发生热湍流。边界导致目前的不稳定和崩溃。他说有相当多的证据来证实他的观点,但同时他也承认他的观点也有缺点,并且欢迎有新的想法。盖茨和德尔加多 - 阿帕雷西奥提出的理论代表了试图解决热密度边界的新方法。

  盖茨和德尔加多 - 阿帕雷基奥通过整合人们在过去几十年掌握的线索来建立他们的研究模型。盖茨自己在1993年首次在英国阿宾登的Carlham融合核能中心进行博士后研究时,听说了1993年的热密度边界。在早期,热密度的边界是以Jane Hugel科哈尔海姆核聚变能源中心的科学家,赫格尔告诉盖茨关于热密度边界的详细描述。

  对于等离子岛问题,科学家们已经发表了不同的论文。在20世纪80年代中期,法国物理学家保罗·亨利(Paul Henriret)在会议上介绍了辐射形成的岛屿,但没有在杂志上发表。大约十年之后,德国物理学家沃尔夫冈·萨特普(Wolfgang Suttep)推测这些岛屿与热密度边界有关。盖茨说,尽管Suntoppu没有将等离子岛直接连接到热密度边界,但他的研究文章实际上激发了他的研究。 1996年,盖茨和南安普顿在同一时期在德国马克斯普朗克等离子体物理研究所从事托卡马克实验,随后进入普林斯顿等离子体物理实验室工作。

  2011年初,等离子岛的问题几乎从盖茨的脑海里消失了,但是,与德尔加多 - 阿帕里奇奥(Delgado-Aparriccio)谈到阿尔卡特C-Mod托卡马克等离子体发生的岛屿的谈话重新激起了他对这个问题的兴趣。德尔加多 - 阿帕里西奥提到普林斯顿等离子体物理实验室的科学家们在20世纪80年代首次观察到等离子体出现螺旋锥形空气团现象,德国物理学家亚瑟·韦勒(Arthur Weller)报告了这一现象。

  谈话结束后,盖茨要求德尔加多 - 阿帕雷乔(Delgado-Aparecchio)阅读雷布斯特(Rebst)和苏特·潘迪(Souter Pandey)的文章。八个月后,Delgado-Aparriquio给盖茨发了一封电子邮件,解释螺旋锥形气团的行为。盖茨最感兴趣的是热密度岛生长方程的意义,这个方程由英国物理学家保罗·卢瑟福(Paul Rutherford)根据20世纪80年代的研究得出的方程式进行了修改。盖茨认为,如果南安普敦岛的知识是准确的,那么方程应该描述热密度边界。

  盖茨和德尔加多 - 阿帕里奥西在办公室计算发现,他们并不需要整个方程,只关注等离子体电子密度和岛热辐射,他们推导出热损失超过电子密度方程的描述。这反过来又帮助他们找到一个预期隐藏在热密度边界之后的机制。

  当谈到为什么科学家们以前没有能够获得类似的热密度界限理论时,盖茨认为,答案就在于相关研究思想渗透或传播到科学界的过程。热辐射形成岛屿的想法从来没有得到广泛的宣传,人们只是把它看作一个有趣的观点。人们通常通过出版物传播他们的信息,但是热密度边界的想法最初并没有传播。

  盖茨和德尔加多 - 阿帕雷西奥希望能够在位于圣地亚哥的圣地亚哥原子能公司的麻省理工学院Torukamak融合环集合中进行实验,该集合称为Alcator C-Mod和DIII-D Tokamak环核实他们的理论。其中一个目标是,他们打算知道能否通过直接向等离子岛注入能量而致密。如果我们能够增加密度,那么托卡马克环的未来将能够实现非常高的发热密度,核聚变要达到1亿摄氏度。

  征服热密度边界问题将为未来托卡马克环形装置实现自持式核聚变反应堆提供一种改进方式,包括取代ITER的核聚变装置。 ITER得到了欧共体,美国等五个国家的共同支持,总投资达200亿美元。

  美国生理学家网络报告(英文)

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