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物理学家改良托卡马克“甜甜圈” 产生更加稳定的等离子体

前瞻网    2021-08-24 10:01

 

物理学家改良托卡马克“甜甜圈” 产生更加稳定的等离子体

托卡马克,是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环形容器,外部缠绕着线圈。因其外形,托卡马克又被称为“甜甜圈”。近日,物理学家从另一个磁约束核聚变实验装置上获得灵感,并用于对托卡马克进行设计改良。

研究题为'Physics basis for design of 3D coils in tokamaks',于6月9日发表于期刊《核聚变》上。通讯作者为来自劳伦斯·利弗莫尔国家实验室的N.C. Logan。

Logan带领来自普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的研究团队使用仿星器的计算机代码来设想扭曲托卡马克磁铁的形状和强度,这些磁铁可以稳定托卡马克等离子体并在聚变反应堆中预期的极端条件下存活。

该技术依赖于 FOCUS,这是一种主要由仿星器优化科学家 PPPL 物理学家朱曹祥(音译)创建的计算机代码,用于为仿星器设施设计复杂的磁铁。“当我作为 PPPL 的博士后研究员第一次建立 FOCUS 时,Nik Logan 在美国物理学会会议上因我的海报展示而停下来,”朱说。“后来我们进行了交谈,意识到有机会将 FOCUS 代码应用于托卡马克项目。”

不同子领域之间的合作令人兴奋。“我很高兴看到我的代码可以扩展到更广泛的实验,”朱说。“我认为这是托卡马克和仿星器世界之间的美好联系。”

这些发现可以通过补偿机器从理论设计转换为现实生活对象时出现的不精确性,或通过应用精确控制的 3D 磁场来抑制等离子体不稳定性来帮助托卡马克的构建。“建造任何东西的现实是它并不完美,”Logan说,“它的不规则性很小。我们使用这种仿星器技术设计的磁铁既可以纠正磁场中发生的一些不规则性,又可以控制不稳定性。” 这样做有助于磁场稳定等离子体,因此不会发生具有潜在破坏性的热量和粒子爆发。

Logan 及其同事还了解到,即使这些磁铁放置在距离托卡马克壁最远几米的相对较远的地方,它们也可以作用于等离子体。“这是个好消息,因为磁铁离等离子体越近,设计它们以满足聚变反应堆附近的恶劣条件就越困难,”Logan说,“这样我们可以在离托卡马克一定距离的地方放置更多设备。设备当然是越多越好。”

尽管长期以来一直是托卡马克背后的第二大聚变设施,但仿星器现在正变得越来越广泛,因为仿星器能够产生稳定的等离子体。托卡马克目前是聚变反应堆设计的首选,但它们的等离子体会产生不稳定性,从而可能损坏反应堆的内部组件。

目前,PPPL 研究人员正在使用这种新技术为世界各地的多个托卡马克设计和更新磁铁,其中包括由捷克科学院运营的托卡马克 COMPASS-U;和韩国超导托卡马克高级研究 (KSTAR) 设施。

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