研究人員利用超級(jí)計(jì)算機(jī)發(fā)現(xiàn)改善聚變約束的新線索

核聚變——兩個(gè)原子核結(jié)合形成一個(gè)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(huì)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(huì)導(dǎo)致飛機(jī)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(gè)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)室在 Frontier 超級(jí)計(jì)算機(jī)上進(jìn)行的一項(xiàng)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(duì)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?yàn)樗鼪Q定了等離子體中能量和熱量的整體約束。但計(jì)算這個(gè)邊緣區(qū)域的湍流非常困難。要做到這一點(diǎn)，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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