世界首次:科學家發現高速移動的聚變等離子體湍流

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為了在發電廠中實現核聚變,有必要將超過1億攝氏度的等離子體穩定地限制在一個磁場中並長期保持。由日本國立自然科學研究所(NINS)國立聚變科學研究所(NIFS)的Naoki Kenmochi副教授、Katsumi Ida教授和Tokihiko Tokuzawa副教授領導的研究小組,與美國威斯康星大學Daniel J. den Hartog教授合作,使用獨立開發的測量儀器在世界上首次發現,當熱量在大型螺旋裝置(LHD)的等離子體中逸出時,湍流的移動速度比熱量更快。

這種湍流的一個特點使得預測等離子體溫度的變化成為可能,預計對湍流的觀察將導致在未來開發出一種實時控制等離子體溫度的方法。

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在被磁場限制的高溫等離子體中,產生了“湍流”,這是一種帶有不同大小渦旋的流動。這種湍流導致等離子體受到干擾,被限制的等離子體的熱量向外流動,導致等離子體溫度下降。為了解決這個問題,有必要了解等離子體中熱量和湍流的特點。然而,等離子體中的湍流非常複雜,研究人員還沒有實現對它的全面了解。特別是,生成的湍流如何在等離子體中移動還沒有得到很好的理解,因為這需要儀器能夠以高靈敏度和極高的時空分辨率測量微小湍流的時間演變。

在等離子體中可以形成一個“屏障”,它的作用是阻止熱量從中心向外傳輸。“屏障”在等離子體中形成強大的壓力梯度並產生湍流。Kenmochi副教授和他的研究小組已經開發出一種方法,通過設計一個磁場結構來打破這個障礙。這種方法使研究人員能夠關注屏障打破時大力流動的熱量和湍流,並詳細研究它們的關係。然後,利用各種波長的電磁波,研究人員以世界上最高的精度測量了電子和毫米級細小湍流的溫度和熱流的變化。在此之前,人們知道熱和湍流幾乎同時以每小時5000公里的速度移動,大約是飛機的速度,但是這個實驗導致世界上首次發現湍流以每小時40000公里的速度在熱量之前移動。這種湍流的速度接近於火箭的速度。

Naoki Kenmochi說:“這項研究極大地推進了我們對聚變質體中湍流的理解。湍流的新特性,即它在等離子體中的移動速度比熱量快得多,表明我們可能能夠通過觀察預測湍流來預測等離子體的溫度變化。未來,在此基礎上,我們有望開發出實時控制等離子體溫度的方法。”

該研究發表在《科學報告》雜誌上。

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