新研究可以解决长期的聚变反应堆之谜 2017-07-04 02:27:14

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Alcator C-Mod托卡马克内部的一个视图麻省理工学院的新研究显示,等离子体内的两种类型的湍流会导致显着的热量损失解决这个问题可以让世界更接近聚变能量,这有望实现无限且相对清洁的能量之一使聚变能实用的最大障碍 - 并实现其几乎无限且相对清洁的能量的承诺 - 计算机模型一直无法预测聚变反应堆内的热带电气体如何在所需的高温和高压下表现使原子粘在一起使聚变工作的关键 - 也就是说,将一种称为氘的重氢形式的原子粘在一起形成氦,在此过程中释放出大量的能量 - 是为了保持足够高的温度和压力使原子克服彼此的抵抗但是各种湍流可以激起这种热的汤并消除了一些强烈的热量,一个主要问题是如何理解和预测这种湍流是如何工作的,从而如何克服它在预测和测试反应堆观测结果之间的长期差异被称为“伟大的未解决的问题“了解导致聚变反应堆热量损失的湍流解决这种差异对于预测新聚变反应堆的性能至关重要,例如正在法国正在建设的ITER等大型国际合作项目正在建设中,麻省理工学院等离子体的研究人员科学与融合中心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合作,说他们找到了关键结果令人惊讶,研究人员自己发现很难相信他们的最初的结果是,最小的湍流,电子的湍流和湍流之间的相互作用离子的湍流规模大60倍,可以解释理论和实验结果之间的神秘不匹配新的研究结果在麻省理工学院研究科学家Nathan的期刊“核聚变”和“等离子体的AIP物理学”上发表的一篇论文中有详细介绍

霍华德,博士生胡安·鲁伊斯·鲁伊斯,塞西尔和艾达·格林工程学副教授安妮·怀特以及12名合作者“我对此结果感到非常惊讶”,怀特说,她补充说,它对计算机的详细结果进行了彻底的检查

模拟,以及匹配的实验观察,以显示违反直觉的结果是真实持续的漩涡物理学家十多年来的期望是与离子(带电荷的原子)相关的湍流比电子引起的湍流大得多 - 将近两个数量级 - 后者将被更大的漩涡和ev完全抹掉如果较小的漩涡在较大规模的破坏中幸存下来,传统的思维就会发生,这些电子尺度的旋转将会小得多,以至于它们的影响可以忽略不计

新发现表明这种传统智慧在两个方面都是错误的

研究人员发现,湍流确实共存,并且它们之间的相互作用非常强烈,以至于如果不在任何模拟中包含两种类型,就不可能理解它们的效果

但是,它需要大量的计算机时间来运行包含如此广泛的不同尺度的模拟,霍华德解释说,他是论文的主要作者,详细介绍了这些模拟完成每个模拟需要1500万小时的计算,由37,000个处理器在37天内在国家能源研究科学计算中心进行 - 使该团队成为最大的用户今年该设施的使用普通的MacBook Pro运行全套六个si霍华德估计,该团队进行的测试将花费3000年的时间但是结果很清楚,并且令人吃惊,远远没有被大规模的湍流所消除,电子产生的微小漩涡在结果中仍然清晰可见在围绕环形真空室的长丝带中形成托卡马克聚变反应堆的特征 尽管等离子体内的温度达到了1亿摄氏度,但这些带状漩涡仍然存在足够长的时间,以影响热量从旋转质量中消散的程度 - 这是影响反应堆实际融合程度的决定因素

我认为简单地在两个不同尺寸的尺度上单独模拟湍流并将结果加在一起会得到足够接近的近似值,但他们不断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,新的多尺度模拟与实际结果更加准确现在,通用原子公司的研究人员正在利用这些新结果并利用这些结果开发出可在普通笔记本电脑上运行的简化流线型模拟,霍华德说独立证据除了理论模拟,麻省理工学院研究生第二篇论文的第一作者鲁伊斯鲁伊斯分析了一系列e普林斯顿等离子体物理实验室的实验,提供了支持新模拟的电子尺度湍流的直接证据

结果提供了清晰,独立的证据,证明电子尺度湍流确实发挥了重要作用,并且它们表明这是一般的现象,而不是特定反应堆设计的特征因为霍华德的模拟是基于麻省理工学院的Alcator C-Mod托卡马克反应堆,而鲁伊斯鲁伊斯的结果来自一个叫做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理解怀特说,这些不同湍流机制的细节一直是聚变研究领域的“一项突出挑战”,这些新发现可以大大提高对世界各地存在的10个托卡马克研究堆内部实际情况的认识

,以及未来正在建造的实验反应堆o计划“来自这两篇论文的证据表明,托卡马克中的电子能量传输对离子和电子尺度的湍流有很大的贡献,并且需要多尺度模拟来预测运输,这是非常重要的,”Gary Staebler说

General Atomics的研究员没有参与这项工作“这两篇论文都非常高质量”,他补充说“实验的执行和分析是一流的”这项研究得到了美国能源部出版物的支持:资料来源:麻省理工学院新闻大卫L钱德勒