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新研究可能会解决长期的融合反应堆之谜

发布时间:2018-05-16  点击数:[18]

em麻省理工学院的最新研究表明,等离子体中的两种类型的湍流导致显着的热损失。解决这个问题可能会让世界向融合能力迈进一步,这种融合能力有望实现无限且相对清洁的能量。 / em

实现聚变能力的最大障碍之一是实现无限且相对清洁能量的承诺 - 一直以来,计算机模型一直无法预测聚变反应堆内热的带电气体如何在强热下运行并且使原子粘在一起所需的压力。

制造熔合工作的关键 - 即让称为氘的重氢型原子粘合在一起形成氦气,在此过程中释放大量能量 - 是保持足够高的温度和压力以使原子克服对方的抵触情绪。但各种湍流可以激起这种热的颗粒汤并消散一些强烈的热量,而一个主要问题是要明确和预测这种湍流如何工作,以及如何克服它。

在测试反应堆中预测和观察结果之间长期存在的差异被称为理解导致聚变反应堆热量损失的湍流的“重大未解决问题”。解决这一矛盾对于预测新型聚变反应堆的性能至关重要,例如法国正在建设的名为ITER的巨大国际合作项目。

现在,麻省理工学院等离子体科学与融合中心的研究人员与加州大学圣地亚哥分校,通用原子公司和普林斯顿等离子体物理实验室的其他人员合作,表示他们已经找到了关键。结果令人惊讶的是,研究人员自己最初很难相信他们自己的结果,结果证明,最小尺度的湍流与电子的湍流之间的相互作用以及60倍于湍流的湍流之间的相互作用可以解释了理论与实验结果之间神秘的不匹配。

这些新发现在麻省理工学院研究科学家Nathan Howard,博士生Juan Ruiz Ruiz,Cecil和Ida Green工程学副教授Anne White以及12位合作者发表在期刊Nuclear Fusion和AIP物理学杂志上。

White说,新的结果让我感到非常惊讶。她补充说,它对计算机模拟的详细结果以及匹配的实验观察结果进行了全面检查,以显示违反直觉的结果是真实的。

坚持漩涡

物理学家们十多年的期望是,与离子(带电荷的原子)相关的湍流比电子引起的湍流大得多 - 几乎小两个数量级 - 后者会被电子完全抹掉更大的涡流。即使较小的漩涡在较大规模的破裂中幸存下来,传统思维仍然存在,这些电子尺度的漩涡会小得多,以至于它们的影响可以忽略不计。

新的研究结果表明,这一传统观点在两方面都是错误的。研究人员发现,这两种湍流尺度确实并存,并且它们彼此之间的相互作用非常强烈,以至于在没有在任何模拟中包括两种类型的情况下理解它们的效果是不可能的。

然而,霍华德解释说,这需要大量的计算机时间来运行模拟,这些模拟包括如此广泛不同的尺度。完成每个模拟需要1500万小时的计算,由17,000个处理器在37天的时间内在国家能源研究科学计算中心完成 - 使得该团队成为该设施一年中最大的用户。霍华德估计,使用一台普通的MacBook Pro来运行该团队进行的全部六个模拟将花费3000年时间。

但结果很清楚,令人吃惊。电子产生的微小涡流不仅没有被大规模湍流所消除,而且在结果中仍然清晰可见,并伸展成长条带,卷绕在表征托卡马克聚变反应堆的圆环形真空室周围。尽管等离子体内的温度高达1亿摄氏度,但这些带状漩涡持续了足够长的时间,以影响散热物质散热的方式 - 这是决定反应堆内实际发生多少熔合的决定性因素。

以前,科学家们认为仅仅在两种不同的尺度下单独模拟湍流并将这些结果加在一起会给出足够接近的近似值,但他们仍然发现这些预测与测试反应堆中的实际结果之间存在差异。霍华德说,新的多尺度模拟更准确地与实际结果相匹配。现在,通用原子公司的研究人员正在采用这些新的结果,并使用它们来开发简化的,简化的模拟程序,可以在普通的笔记本电脑上运行,Howard说。

独立的证据

除了理论模拟之外,第二篇论文的第一作者,麻省理工学院研究生鲁伊斯鲁伊斯在普林斯顿等离子体物理实验室分析了一系列实验,该实验室提供了支持新模拟的电子尺度湍流的直接证据。这些结果提供了明确的,独立的证据,证明电子尺度湍流确实发挥了重要作用,并且表明这是一个普遍现象,而不是特定于特定反应堆设计的现象。

这是因为霍华德的模拟基于MIT的Alcator C-Mod托卡马克反应堆,而鲁伊斯鲁伊斯的结果来自一种称为国家球形环面实验的不同类型的反应堆,它具有明显不同的配置。

White说,了解这些不同的动荡机制的细节已成为聚变研究领域的一个“突出挑战”,这些新发现可以大大提高对10个托卡马克研究堆内真正发生的事情的了解。世界以及正在建设或规划中的未来实验堆。

“来自这两篇论文的证据表明,托卡马克中的电子能量传输具有离子和电子尺度湍流的显着贡献,需要多尺度模拟来预测运输,这非常重要,”研究人员加里斯塔布勒说。一般Atomics谁没有参与这项工作。 “这两篇论文的质量都很高,”他补充道。 “实验的执行和分析是一流的。”

这项研究得到了美国能源部的支持。

出版物:

J.Ruiz Ruiz等人,“Stabilization of electron-scale turbulence by electron density gradient in national spherical torus experiment”,Physics of Plasmas 22,122501(2015); DOI:10.1063 / 1.4936110N.T。霍华德等人,“托卡马克等离子体的多尺度陀螺动力学模拟:由等离子体湍流的交叉尺度耦合引起的增强热损失”,2016年核聚变,56,014004; DOI:10.1088 / 0029-5515 / 56/1/014004

资料来源:麻省理工新闻David L. Chandler

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