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我们都知道,核聚变能以等离子体的形式结合轻元素,并释放大量的能量。在地球上创造并控制核聚变,从而带来几乎取之不尽的安全、清洁的无碳能源,是许多科研人员的终极目标。

然而在核聚变实验研究的历程中,十几年前的一个有关核聚变的悖论让普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家感到震惊和困惑。

简单来说,他们在核聚变设施国家球形环面实验(National Spherical Torus Experiment,NSTX)中发现,向实验装置输送的热量越多,中心温度上升的幅度却越小了。为什么会发生这种情况?这成了一大谜团。

2009年拍摄的NSTX外观。(图/PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory)

直到近期,PPPL科学家根据理论和计算模拟,提出了关于这个谜团新的解释。论文已经发表在《物理评论快报》上。

实验中的谜团

托卡马克是目前核聚变实验中最常见的一类装置,它们大多呈甜甜圈的形状,也就是传统的环形托卡马克。

球形托卡马克是传统托卡马克的一种衍生产物。和“甜甜圈”形状的传统装置相比,球形装置的整体形状更像一颗“带芯的苹果”。球形装置能产生具有高性价比的磁场,因此也成为试验性聚变电站模型的候选之一。

NSTX就是一个基于球形托卡马克的著名核聚变实验设施,它于1999年投入使用,并于2012年关闭升级,成为NSTX-U。

NSTX示意图。(图/PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory)

通常情况下,用常理推测来说,实验中输入的功率越大,温度自然应该就越高。但十几年前,NSTX中却观察到了令人困惑的等离子体行为。随着输入的热量不断增加,中心温度的曲线却开始变得平缓,换言之,温度上升的幅度变小了。一直以来,许多物理学家一直在研究这种现象背后的原因。

模拟发现的机制

在新研究中,研究人员利用过去NSTX的数据开发了计算机代码。他们模拟了过去在NSTX上进行的实验,得出的结果在很大程度上与实验结果一致。

通过高分辨率计算机模拟,团队详细展示了会导致温度保持不变甚至降低的因素。他们发现,增加功率的同时会导致等离子体中某些位置的压强升高,当达到某个临界点时,压强就会开始破坏嵌套磁表面,这其实就是温度不再继续上升的直接原因。

这些表面由环绕托卡马克的磁场形成来限制等离子体,而这种破坏则会让等离子体变得不稳定,破坏使等离子体内部电子的温度升高变得平缓,从而让炽热的带电气体中心的温度无法上升到核聚变相关的水平。

球形托卡马克的特殊性

研究人员认为,这种发现的机制应该在球形托卡马克中普遍存在,揭开这一谜团的机制应该能帮助世界各地的核聚变实验研究。

这一结果也在提醒科学家,在设计和实际操作球形托卡马克实验时,必须注意确保等离子体压强在设施的某些位置不超过特定的临界值。而使用计算机模拟,可以帮助有效地量化这些数值。

研究人员正在继续详细研究整个过程,进一步了解磁表面破坏的细节。他们还注意到,相比于传统的环形托卡马克,球形托卡马克中似乎更容易出现这种现象,这背后的原因也是科学家进一步研究的重点之一。

#创作团队:

撰文:Gaviota

排版:雯雯

#参考来源:

https://www.pppl.gov/news/2022/pppl-scientists-propose-solution-long-puzzling-fusion-problem

https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.128.245001

#图片来源:

封面图:PPPL, Flickr, CC BY

首图:Jardin, S. C. et al.