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新的等离子体稳定性模型可以帮助研究人员预测和避免中断

2019-05-02 19:53:20来源:

美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家帮助开发了一种称为托卡马克的圆环形融合机中等离子体稳定性的新计算机模型。新模型结合了从相关研究工作中收集的最新发现,并简化了所涉及的物理因素,因此计算机可以更快地处理程序。该模型可以帮助科学家预测等离子体何时变得不稳定,然后避免潜在的条件。

等离子体稳定性代码部分由哥伦比亚大学应用物理和应用数学系的研究科学家Jack Berkery撰写,他与PPPL有近10年的关系。他与哥伦比亚大学应用物理学高级研究科学家兼副教授Steve Sabbagh一起从事这个项目,他与PPPL合作了将近三十年。Berkery和Sabbagh都是PPPL的哥伦比亚集团的一部分。

这项新研究是物理学家共同努力开发更大,更强大的等离子体稳定计算机程序的最新研究,称为中断事件表征和预测(DECAF)代码,可预测并帮助避免中断。

在托卡马克等离子体中,许多力平衡以产生稳定的平衡。一种力是由等离子体的固有特性产生的膨胀压力 - 一种带电粒子的汤。另一种力是由磁铁限制等离子体产生的,防止它接触托卡马克的内壁并冷却下来。

等离子体物理学家和工程师希望等离子体处于尽可能多的磁场压力下,因为高压意味着等离子体粒子更频繁地相互作用,增加了聚变反应发生的机会和托卡马克产生的热量。Berkery和Sabbagh过去在PPPL上进行的包括国家球形圆环实验升级(NSTX-U)在内的机器上的研究表明,如果等离子体的其他特性,如旋转方式,可以以稳定的方式包含高等离子体压力,有特殊的特点。

“理想情况下,你想要在高压下操作tokamaks,因为要获得良好的融合性能,你希望拥有最高的压力,”Berkery继续道。“不幸的是,当你这样做时,就会出现不稳定性。因此,如果你能找到稳定等离子体的方法,那么你可以在更高的压力下操作你的托卡马克。”

编写更新的程序是为了预测最适合高压等离子体的条件。然而,该程序只是DECAF代码的一个组成部分,其中包括许多模块,每个模块监视等离子体的不同方面,以确定等离子体何时变得不稳定。“多年来,我们一直在调查哪些条件导致不稳定以及我们如何努力避免这些条件,”Berkery说。

该代码收集的信息包括等离子体的密度,温度和等离子体旋转的形状。然后计算这些条件的哪些组合产生稳定的等离子体,同时揭示哪种条件组合产生不稳定的等离子体。新代码专门寻找即将出现的不稳定状态的迹象,称为电阻壁模式。当引起等离子体膨胀的力比限制等离子体的力更强时,等离子体进入该状态。等离子体的内在磁场然后向外扩展并撞击托卡马克墙壁的内部。