设为首页收藏本站

弧论坛

 找回密码
 立即注册
搜索
热搜: 活动 交友 discuz
查看: 758|回复: 0

突破核聚变极限的新定律

[复制链接]

5904

主题

6599

帖子

7159

积分

坛主

Rank: 10Rank: 10Rank: 10

积分
7159
发表于 2022-5-20 18:41 | 显示全部楼层 |阅读模式
突破核聚变极限的新定律[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]

[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Original [color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]Gaviota
原理[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]  2022-05-20 05:30 Posted on 浙江
[color=rgba(0, 0, 0, 0.3)]


                               
登录/注册后可看大图



                               
登录/注册后可看大图
核聚变是目前最有前景的未来能源之一。它的原理是将两个原子核合二为一,从而释放出巨大的能量。

事实上,核聚变离我们并不远,甚至可以说,我们完全离不开它,因为来自太阳的温暖就是由氢核聚变成更重的氦的过程创造的。这种反应过程在宇宙中几乎随处可见。

但科学家也正努力在地球上“复刻太阳”,制造出聚变过程。著名的ITER(国际热核聚变实验堆)国际核聚变大型研究项目正是其中之一,它的目标是创造出高温等离子体,为核聚变的发生提供合适的环境,并产生能量。

近日,一组物理学家团队又将这一目标向前推进了一步。他们从理论入手,修订了一则有关等离子体和聚变研究的基本定律。这次理论更新表明,我们实际上可以在聚变反应堆中安全地使用更多的氢燃料,从而获得比以前认为更多的能量


  创造等离子体  

等离子体是一种类似气体的物质电离态,它由带正电的原子核和带负电的电子构成,密度比我们呼吸的空气还要低一百万倍。通过将聚变燃料,也就是氢原子,置于极高的温度下,迫使电子与原子核分离,从而制造出来。

简单来说,为了创造用于核聚变的等离子体,必须考虑三件事:高温、高密度的氢燃料,还有良好封闭性的环境。一种被称为托卡马克的“甜甜圈”环形结构正是绝佳的选择。

这是一种磁线圈环绕的甜甜圈形状的真空装置,它借助强大的磁场,将等离子体限制在数亿摄氏度的极高温状态下,甚至比太阳核心还要热,从而让氢原子之间发生核聚变反应。这种方法被广泛采用,目前全世界约有几十台投入使用的托卡马克


                               
登录/注册后可看大图
ITER的托卡马克。(图/Alain Herzog, EPFL)

在托卡马克内部制造等离子体的限制之一是注入的氢燃料的量。早在核聚变研究的初期,科学家就已经发现,如果试图增加燃料密度,达到某一个程度时,就会出现所谓的“破坏”,换言之,系统基本上就失去了约束,等离子体就四散各处。

因此,到了20世纪80年代,科学家一直试图找到某种规律,从而预测可以放在托卡马克内注入的氢的密度极限。


  格林沃尔德极限  

1988年,这个棘手的问题有了答案。当时,核聚变科学家马丁·格林沃尔德(Martin Greenwald)发表了一则著名定律,将燃料密度与托卡马克的小半径(“甜甜圈”内环的半径)以及托卡马克内等离子体流动的电流联系在了一起。

自此,在过去30多年间,格林沃尔德极限一直是聚变研究的基础原则。事实上,ITER的托卡马克建造同样是基于这一规则,包括在规划未来的核聚变项目时,科学家也将它视为一种需要遵守的限制。

虽然,这一极限对研究和应用来说非常行之有效,但是,格林沃尔德是根据经验得出了这则定律,也就是说,它完全来自实验数据,而不是经过试验的理论,或者所谓的第一原理。


  重大更新  

在新研究中,团队设计了一项实验,可以借助极精密的技术,精确控制注入托卡马克的燃料量。这些大规模的实验在世界上多台托卡马克上进行。

同时,团队中的科学家开始分析限制托卡马克中密度的物理过程,推导能够将燃料密度和托卡马克尺寸联系起来的第一原理定律。研究还包括使用计算机模型对等离子体进行先进的模拟,这些模拟用到了世界上一些最大型的计算机。

通过模拟发现,在等离子体中加入更多的燃料时,部分燃料会从托卡马克温度较低的外层,也就是边界,移动回到其核心,因为等离子体变得更加湍动。等离子体在冷却时反而会变得更具抗性。因此,在相同的温度下,投入的燃料越多,它冷却的部分就越多,电流在等离子体中流动就越困难,最终可能导致破坏。

这对模拟来说是个挑战。流体中的湍流本身就是经典物理学中最重要的未解难题,而等离子体中的湍流更为复杂,因为还涉及电磁场。

但最终,团队成功推导出了托卡马克中燃料极限的新方程,它与实验结果非常吻合。新的理论在格林沃尔德极限的基础上,进一步发展出了重大的理论更新

根据新方程的计算,就ITER的燃料而言,格林沃尔德极限可以提高近两倍。也就是说,像ITER这样的托卡马克,实际上可以用近两倍的燃料来产生等离子体,而不用担心破坏,从而释放出比之前认为的更丰富的聚变能。

对聚变研究来说,这自然是一则非常好的消息,它同样有机会为未来更多核聚变项目提供更准确的指导。

#创作团队:
编译:Gaviota
排版:雯雯
#参考来源:
https://actu.epfl.ch/news/a-new-law-unchains-fusion-energy/
#图片来源:
封面图&首图:Alain Herzog (EPFL)


大道至简 万物于弧
您需要登录后才可以回帖 登录 | 立即注册

本版积分规则

手机版|Archiver|小黑屋|国际弧学研究会    

GMT-7, 2024-3-29 05:13 , Processed in 1.044795 second(s), 25 queries .

Powered by Discuz! X3.1

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表