在地球上產(chǎn)生安全，清潔和豐富的聚變能量的主要障礙是，缺乏對(duì)促進(jìn)聚變反應(yīng)的帶電高溫等離子氣體在稱為“托卡馬克”的聚變?cè)O(shè)施邊緣的行為的了解。美國(guó)能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的研究人員最近取得的突破性進(jìn)展，使他們對(duì)沿環(huán)形甜甜餅托卡馬克中高度復(fù)雜的等離子體邊緣的行為有了更深入的了解，從而捕獲了為太陽(yáng)和太陽(yáng)提供動(dòng)力的聚變能。星。了解這一邊緣區(qū)域?qū)τ贗TER的運(yùn)行特別重要，ITER是法國(guó)正在建設(shè)的國(guó)際聚變實(shí)驗(yàn)，旨在證明聚變能的實(shí)用性。

首次發(fā)現(xiàn)

在第一個(gè)同類發(fā)現(xiàn)中，一項(xiàng)發(fā)現(xiàn)是，將磁場(chǎng)限制在為聚變反應(yīng)提供燃料的等離子體中，這種湍流波動(dòng)可以顯著降低等離子體邊緣附近的湍流粒子通量。計(jì)算機(jī)模擬顯示，盡管湍流粒子密度波動(dòng)的平均幅度增加了60%，但凈粒子通量仍可降低多達(dá)30%，這表明盡管湍流密度波動(dòng)的影響更大，但它們?nèi)匀皇菍⒘Ｗ右瞥鲈O(shè)備的效率降低。

研究人員已經(jīng)開(kāi)發(fā)了一個(gè)名為“ Gkeyll”的專用代碼，使這些模擬變得可行，該代碼在羅伯特·路易斯·史蒂文森(Robert Louis Stevenson)的“杰基爾博士和海德先生的奇怪案例”中讀作“杰基”。數(shù)學(xué)代碼是一種建模形式，稱為“陀螺動(dòng)力學(xué)”，可模擬等離子體粒子圍繞聚變等離子體邊緣處的磁力線運(yùn)動(dòng)。

PPPL物理學(xué)家《等離子物理學(xué)》論文的主要作者阿姆馬爾·哈基姆(Ammar Hakim)說(shuō)：“我們最近的論文總結(jié)了Gkeyll小組在陀螺運(yùn)動(dòng)仿真領(lǐng)域的努力。”他根據(jù)在美國(guó)發(fā)表的特邀演講概述了該小組的成就。去年秋天，物理學(xué)會(huì)等離子體物理分會(huì)(APS-DPP)會(huì)議。哈基姆說(shuō)，這項(xiàng)研究是由來(lái)自六個(gè)機(jī)構(gòu)的科學(xué)家合著的，該技術(shù)將最先進(jìn)的算法應(yīng)用于陀螺動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)，以開(kāi)發(fā)出“提供精確仿真所需的關(guān)鍵數(shù)值突破”。

全球努力

這些突破是掌握地球聚變反應(yīng)背后科學(xué)的全球性努力的一部分。聚變反應(yīng)將等離子形式的輕元素結(jié)合在一起，即由自由電子和原子核組成的熱的帶電狀態(tài)，占可見(jiàn)宇宙的99%，這種狀態(tài)產(chǎn)生大量的能量，可以提供幾乎不竭的動(dòng)力為人類發(fā)電。

諾阿·曼德?tīng)?Noah Mandell)是普林斯頓大學(xué)等離子體物理課程的研究生，他在該團(tuán)隊(duì)的工作基礎(chǔ)上開(kāi)發(fā)了第一個(gè)陀螺動(dòng)力學(xué)代碼，該代碼能夠處理在托卡馬克等離子體邊緣的所謂等離子體刮除層(SOL)中的磁波動(dòng)。 。英國(guó)等離子體物理雜志發(fā)表并突出了他的報(bào)告作為專題文章。

曼德?tīng)柼接懥祟愃瓢唿c(diǎn)的等離子體湍流如何彎曲磁場(chǎng)線，從而產(chǎn)生“跳舞場(chǎng)線”的動(dòng)力學(xué)。他發(fā)現(xiàn)場(chǎng)線通常會(huì)平穩(wěn)移動(dòng)，但是當(dāng)跳舞時(shí)，場(chǎng)線可能會(huì)突然重新配置為重新連接事件，從而導(dǎo)致它們收斂并劇烈分開(kāi)。

他說(shuō)，曼德?tīng)柕陌l(fā)現(xiàn)最好被描述為關(guān)于電磁波動(dòng)的“概念驗(yàn)證”。他說(shuō)：“我們知道有更多的物理效應(yīng)需要添加到代碼中，以便與實(shí)驗(yàn)進(jìn)行詳細(xì)比較，但是仿真已經(jīng)顯示出在等離子體邊緣附近的有趣特性。” “處理磁場(chǎng)線彎曲的能力對(duì)于邊緣局部模式(ELM)的未來(lái)仿真也必不可少，我們希望這樣做更好地了解它們所引起的熱量爆發(fā)，必須對(duì)其進(jìn)行控制以防止托卡馬克損壞。 ”

很有挑戰(zhàn)性

Mandell指出，使這一發(fā)現(xiàn)與眾不同的是，以前的動(dòng)力學(xué)代碼已經(jīng)模擬了SOL斑點(diǎn)，但假設(shè)磁場(chǎng)線是剛性的。擴(kuò)展陀螺動(dòng)力學(xué)代碼以計(jì)算磁場(chǎng)線的運(yùn)動(dòng)在計(jì)算上非常具有挑戰(zhàn)性，需要特殊的算法來(lái)確保兩個(gè)大項(xiàng)相互平衡，精度達(dá)到百萬(wàn)分之一。

此外，雖然模擬托卡馬克核心湍流的代碼可能包含磁波動(dòng)，但此類代碼無(wú)法模擬SOL區(qū)域。曼德?tīng)栒f(shuō)：“ SOL需要專門的代碼，例如Gkeyll，它可以處理更大的等離子體波動(dòng)以及與反應(yīng)器壁的相互作用。”

Gkeyll研究小組的未來(lái)步驟將包括研究影響等離子體邊緣動(dòng)力學(xué)的精確物理機(jī)制，這種效應(yīng)可能與彎曲磁場(chǎng)線有關(guān)。哈基姆說(shuō)：“這項(xiàng)工作提供了我認(rèn)為非常重要的墊腳石。” “如果沒(méi)有我們制定的算法，這些發(fā)現(xiàn)將很難應(yīng)用于ITER和其他機(jī)器。”