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”的聚變設(shè)施邊緣的行為的了解。美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的研究人員最近取得的突破性進(jìn)展，使他們對沿環(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，從而捕獲了為太陽和太陽提供動力的聚變能。星。了解這一邊緣區(qū)域?qū)τ贗TER的運行特別重要，ITER是法國正在建設(shè)的國際聚變實驗，旨在證明聚變能的實用性。

首次發(fā)現(xiàn)

在第一個同類發(fā)現(xiàn)中，一項發(fā)現(xiàn)是，將磁場限制在為聚變反應(yīng)提供燃料的等離子體中，這種湍流波動可以顯著降低等離子體邊緣附近的湍流粒子通量。計算機模擬顯示，盡管湍流粒子密度波動的平均幅度增加了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)開發(fā)了一個名為“ 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動。

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：“我們最近的論文總結(jié)了Gkeyll小組在陀螺運動仿真領(lǐng)域的努力。”他根據(jù)在美國發(fā)表的特邀演講概述了該小組的成就。去年秋天，物理學(xué)會等離子體物理分會(APS-DPP)會議。哈基姆說，這項研究是由來自六個機構(gòu)的科學(xué)家合著的，該技術(shù)將最先進(jìn)的算法應(yīng)用于陀螺動力學(xué)系統(tǒng)，以開發(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力為人類發(fā)電。

諾阿·曼德爾(Noah Mandell)是普林斯頓大學(xué)等離子體物理課程的研究生，他在該團隊的工作基礎(chǔ)上開發(fā)了第一個陀螺動力學(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。 。英國等離子體物理雜志發(fā)表并突出了他的報告作為專題文章。

曼德爾探討了類似斑點的等離子體湍流如何彎曲磁場線，從而產(chǎn)生“跳舞場線”的動力學(xué)。他發(fā)現(xiàn)場線通常會平穩(wěn)移動，但是當(dāng)跳舞時，場線可能會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。

他說，曼德爾的發(fā)現(xiàn)最好被描述為關(guān)于電磁波動的“概念驗證”。他說：“我們知道有更多的物理效應(yīng)需要添加到代碼中，以便與實驗進(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。” “處理磁場線彎曲的能力對于邊緣局部模式(ELM)的未來仿真也必不可少，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，以前的動力學(xué)代碼已經(jīng)模擬了SOL斑點，但假設(shè)磁場線是剛性的。擴展陀螺動力學(xué)代碼以計算磁場線的運動在計算上非常具有挑戰(zhàn)性，需要特殊的算法來確保兩個大項相互平衡，精度達(dá)到百萬分之一。

此外，雖然模擬托卡馬克核心湍流的代碼可能包含磁波動，但此類代碼無法模擬SOL區(qū)域。曼德爾說：“ 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以及與反應(yīng)器壁的相互作用。”

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