新的研究可以解决长期的融合反应堆谜团

Alcator C-Mod Tokamak内的一个视图。

麻省理工学院的新研究表明了两种类型的湍流，导致显着的热量损失。解决这个问题可能会使世界迈向融合功率的一步，这具有无限且相对清洁的能量。

制作融合功率实用的最大障碍之一 - 实现了几乎无限且相对清洁的能源的承诺 - 这一直是计算机模型一直无法预测融合反应器内部的热电充气的气体在强烈的热量下表现出来使原子粘在一起所需的压力。

制作融合工作的关键 - 即将稠氢的原子粘在一起，以形成氦，在过程中释放大量的能量 - 是保持足够高的温度和压力以使原子能够实现克服他们彼此的抵抗力。但各种湍流可以刺激这种颗粒的热汤并消散一些强烈的热量，并且一个主要问题已经理解和预测这种湍流如何工作，因此如何克服它。

在理解融合反应器中导致热量丧失的湍流，预测和观察到的测试反应堆之间的长期差异被称为“巨大未解决的问题”。解决这种差异对于预测新的融合反应堆（如巨大的国际协同项目）的表现至关重要，该项目在法国建设中致电。

现在，麻省理工学院的血浆科学和融合中心的研究人员与加利福尼亚大学的San Diego，General Aromics和Princeton等离子物理实验室合作，他发现了它们的关键。在这令人惊讶的是，研究人员自己发现它起初很难相信自己的结果，事实证明，湍流之间的相互作用在最微小的等级，电子和湍流在60倍越大，离子的湍流，可以考虑到理论与实验结果之间神秘不匹配。

新的调查结果详述于在核融合和等离子体的核融合和AIP物理学中发表的一对论文，由MIT研究科学家Nathan Howard，博士生Juan Ruiz Ruiz，Cecil和Ida Green副教授工程安妮白色，12名合作者。

白人说，“我非常惊讶”，白人说。她补充说，对计算机仿真的详细结果进行了全面的检查，以及匹配的实验观察结果，表明违反直觉结果是真实的。

坚持eddies

物理学家超过十年的期望一直是与离子（带电荷的原子）相关的湍流比电子引起的湍流大得多 - 近两个数量级更小 - 后者将完全涂抹出来更大的eddies。甚至如果较小的漩涡在较大规模中断的情况下，传统的思维就会出现，这些电子级旋转会如此小，因为它们的效果可以忽略不计。

新发现表明，这种传统智慧在两个数量上都是错误的。研究人员发现，研究人员确实共存了两种湍流，并且他们非常强烈地共存，因此在任何模拟中都不可能了解它们的效果是不可能的。

然而，它需要促使有量的计算机时间来运行跨越如此广泛不同的尺度的模拟，解释了霍华德，霍华德是何处，谁是细节这些模拟的纸张上的主要作者。完成每种模拟需要1500万小时的计算，在国家能源研究科学计算中心在37天内进行的17,000个处理器进行 - 使这支球队成为今年该设施的最大用户。使用普通的MacBook Pro来运行全套六种模拟，霍华德估计，将采取3000年。

但结果清晰，令人惊讶。远离较大型湍流的消除，电子产生的微小漩涡在结果中继续明确可见，延伸到长丝带中，该长带缠绕在甜甜圈形的真空室周围，其表征托卡马克融合反应器。尽管等离子体内部的温度为1亿摄氏度，但是这些带状的漩涡持续时间足够长，以影响热量从旋转质量消散的热量 - 一个决定因子在反应器内部可以在大量融合中进行多少。

此前，科学家们认为，在两个不同大小的尺度上单独模拟湍流并将结果放在一起将得到足够的近似，但它们在测试反应器中找到了这些预测和实际结果之间的差异。新的MultiScale仿真，霍华德说，更准确地匹配真实的结果。现在，一般原子的研究人员正在服用这些新结果，并使用它们开发简化，简化的模拟，可以在普通的笔记本电脑上运行，霍华德说。

独立证据

除了理论模拟外，第二篇论文的主要作者ruiz ruiz还分析了普林斯顿等离子物理实验室的一系列实验，该实验提供了支持新模拟的电子规模湍流的直接证据。结果提供清晰，独立的证据表明电子规模湍流确实发挥着重要作用，并且他们表明这是一般现象，而不是特定的反应堆设计的一般现象。

那是因为霍华德的模拟是基于麻省理工学院的Alcator C-Mod Tokamak反应堆，而Ruiz Ruiz的结果是来自不同类型的反应堆，称为国家球形圆环实验，具有显着不同的配置。

了解这些不同机制的细节是融合研究领域的“一个突出的挑战”，白色说，这些新发现可以大大提高对存在于10个托卡马克研究反应堆内部的真正发生的事情的理解世界，以及在建造或规划的未来实验反应堆中。

“来自这篇论文的证据，即托卡马克的电子能源输送来自离子和电子规模湍流的显着贡献，并且需要多尺度模拟来预测运输，是深刻的重要的，”研究人员Gary Staebler说没有参与这项工作的一般原子。“这篇论文都非常高质量，”他补充道。“实验的执行和分析是一流的。”

该研究得到了美国能源部的支持。

刊物：

J.Ruiz Ruiz等，“通过电子密度梯度稳定电子密度梯度在国家球形圆环实验中，”Plasmas 22,12501（2015）的物理学。 DOI：10.1063 / 1.4936110n.t。霍华德等，“Tokamak等离子体的多尺度旋转仿真：增强型离子湍流引起的热量损失，”2016年核聚变，56,014004; DOI：10.1088 / 0029-5515 / 56 / 1/014004

资料来源：David L. Chandler，麻省理工学院新闻