世界首次:科学家发现高速移动的聚变等离子体湍流

2022年05月28日 08:17 次阅读 稿源:cnBeta.COM 条评论

为了在发电厂中实现核聚变,有必要将超过1亿摄氏度的等离子体稳定地限制在一个磁场中并长期保持。由日本国立自然科学研究所(NINS)国立聚变科学研究所(NIFS)的Naoki Kenmochi副教授、Katsumi Ida教授和Tokihiko Tokuzawa副教授领导的研究小组,与美国威斯康星大学Daniel J. den Hartog教授合作,使用独立开发的测量仪器在世界上首次发现,当热量在大型螺旋装置(LHD)的等离子体中逸出时,湍流的移动速度比热量更快。

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这种湍流的一个特点使得预测等离子体温度的变化成为可能,预计对湍流的观察将导致在未来开发出一种实时控制等离子体温度的方法。

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在被磁场限制的高温等离子体中,产生了 “湍流”,这是一种带有不同大小涡旋的流动。这种湍流导致等离子体受到干扰,被限制的等离子体的热量向外流动,导致等离子体温度下降。为了解决这个问题,有必要了解等离子体中热量和湍流的特点。然而,等离子体中的湍流非常复杂,研究人员还没有实现对它的全面了解。特别是,生成的湍流如何在等离子体中移动还没有得到很好的理解,因为这需要仪器能够以高灵敏度和极高的时空分辨率测量微小湍流的时间演变。

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在等离子体中可以形成一个“屏障”,它的作用是阻止热量从中心向外传输。“屏障”在等离子体中形成强大的压力梯度并产生湍流。Kenmochi副教授和他的研究小组已经开发出一种方法,通过设计一个磁场结构来打破这个障碍。这种方法使研究人员能够关注屏障打破时大力流动的热量和湍流,并详细研究它们的关系。然后,利用各种波长的电磁波,研究人员以世界上最高的精度测量了电子和毫米级细小湍流的温度和热流的变化。在此之前,人们知道热和湍流几乎同时以每小时5000公里的速度移动,大约是飞机的速度,但是这个实验导致世界上首次发现湍流以每小时40000公里的速度在热量之前移动。这种湍流的速度接近于火箭的速度。

Naoki Kenmochi说:“这项研究极大地推进了我们对聚变质体中湍流的理解。湍流的新特性,即它在等离子体中的移动速度比热量快得多,表明我们可能能够通过观察预测湍流来预测等离子体的温度变化。未来,在此基础上,我们有望开发出实时控制等离子体温度的方法。”

该研究发表在《科学报告》杂志上。

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