压缩湍流以改善内部约束聚变的实验

发布时间: 2016-05-20 11:01:02   作者:本站编辑   来源: 本站原创   浏览次数:

 

   

  物理学家们一直认为等离子体湍流不可控性会限制聚变实验的性能。但美国能源部(DOE)与普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)以及普林斯顿大学天体物理学系的研究人员发现的一系列结果表明等离子体湍流漩涡可能对这项研究的其中一个分支是有益的。当2016311日这项结果发表出来的时候,物理评论快报(Physical Review Letter)的编辑对这项发现给予了很高的评价。

  1.压缩湍流等离子体

  第一作者Seth DavidovitsNat fisch得到了这项发现,他们模拟了湍流的压缩,结果显示湍流对惯性约束聚变实验有惊人的积极影响。实验在一台Z箍缩惯性约束机器上进行,结果显示湍流中含有惊人的能量,这引起了fisch的注意,当时他还在魏茨曼休假。

  Z箍缩惯性约束机器和其他惯性约束聚变(ICF)机中等离子体压缩产生聚变能。这个方法与在普林斯顿等离子体物理实验室和其他实验室中的研究形成鲜明对比,它通过磁场来控制等离子体并且利用环形的设备——托卡马克装置将等离子体加热到聚变温度。最大的Z箍缩设备在美国能源部的桑迪亚国家实验室,而美国能源部劳伦斯利弗莫尔国家实验室则寻找其他惯性约束的方法。

  现在惯性约束聚变(ICF)方法使用压缩来稳定地加热等离子体。具体方法各有不同,桑迪亚国家实验室用磁场来挤压等离子体,利弗莫尔国家点火装置在充满等离子体的压缩腔内发射激光。人们普遍认为等离子体湍流的存在增加了实现聚变的难度。但是作者指出,如果处理得当湍流可能是有利的,这是因为包含在湍流中的能量不辐射。相比之下,热等离子体中热量会迅速辐射,使聚变更难实现。通过将压缩的能量存储在湍流而不是温度中,作者有效的抑制了在压缩过程中辐射导致的能量损失。湍流能量也不会立即导致聚变,聚变需要高温。这意味着一旦等离子体压缩就需要有一种机制就将湍流转变为聚变所需的温度。

       Davidovits用软件代码(迪达勒斯)展示了在压缩过程中湍流能量的增加,但之后就突然转化成热量。在他的模拟中压缩湍流来增加存储在内部的能量,他们也逐渐提高了等离子体的温度和粘性。

       粘性描述流体“厚”或对流动的抗拒,它减缓湍流的速度并将能量转换为温度。开始时粘性小以至于湍流不受阻碍,然后快速压缩使粘性保持增长直到突然促使能量从湍流转移到聚变温度。在实验中,这一过程会为由氢的同位素氘和氚组成的等离子体核聚变创造条件。Davidovits说:“这展示了一项与从前基于压缩的聚变实验完全不同的设计以及一个产生聚变能的新范例式的惯性技术”

  然而,这个模拟并不完善。例如,模型没有考虑等离子体和封闭腔之间任何可能的相互作用,高能湍流可能混合部分腔内物质变成等离子体从而造成聚变燃料污染。 

  尽管如此,作者认为在惯性约束聚变(ICF)实验中湍流能量迅速转移到温度具有诱人的前景,它使得类似的研究中可以从中受益。他们指出,研究结果可能使人们对大幅动荡的气体的压力,体积和温度之间的关系演变有新的理解。 

  确定这项工作的成果将非常具有挑战性,他们说:但是对这项成果更好的理解对于新的聚变方法以及很多涉及到低粘性可压缩液体和气体行为的情况都非常重要。 

摘译自:Compressing turbulence to improve internal confinement fusion experiments. by Staff Writers Princeton NJ (SPX) Mar 22, 2016

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