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科学家首次发现高速运动的等离子体湍流,有助于核聚变研究
张佳欣/科技日报
2022-05-24 14:36 
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图左:在等离子体中形成屏障以确认内部热量。图右:通过打破屏障,发现湍流比热量移动得更快,因为热量从等离子体内部逸出。图片来源:日本国立聚变科学研究所

图左:在等离子体中形成屏障以确认内部热量。图右:通过打破屏障,发现湍流比热量移动得更快,因为热量从等离子体内部逸出。图片来源:日本国立聚变科学研究所

为了使核聚变发生,需要将超过1亿摄氏度的等离子体稳定地限制在磁场中,并长时间保持。日本国立聚变科学研究所与美国威斯康星大学合作研究团队,首次在世界上发现了大型螺旋装置中等离子体在热量逸出时,湍流的运动速度比热量快。这种湍流的特征使预测等离子体温度的变化成为可能,对其观测或将导致未来开发一种实时控制等离子体温度的方法。研究结果发表在近日的《自然·科学报告》杂志上。
在受磁场约束的高温等离子体中会产生“湍流”,这是一种具有不同大小的涡旋的流动。这种湍流导致等离子体受到干扰,来自受限等离子体的热量向外流动,导致等离子体温度下降。为了解决这个问题,有必要了解等离子体中的热和湍流特性。然而,等离子体中的湍流十分复杂,研究人员尚未完全了解。特别是产生的湍流如何在等离子体中运动还未明确,因为需要能够以高灵敏度和极高时空分辨率测量微小时间演变的仪器。
等离子体中会形成一道“屏障”,阻止热量从中心向外传输。该屏障在等离子体中产生强烈的压力梯度,并产生湍流。日本研究小组已经开发出一种通过设计磁场结构来打破这一障碍的方法。这种方法更方便研究障碍被打破时剧烈流动的热量和湍流,并详细研究它们之间的关系。然后,研究人员使用不同波长的电磁波,以世界上最高精度测量了电子的温度变化、热量和湍流的变化。此前,人们知道热量和湍流几乎同时以每小时5000公里的速度移动,大约相当于飞机的速度,但这次实验首次在世界上发现湍流以每小时40000公里的速度先于热量移动,已接近火箭的速度。
日本国立聚变科学研究所助理教授剑持尚辉说,这项研究极大地提高了我们对聚变等离子体中湍流的理解。湍流的新特征,即它在等离子体中的移动速度远远快于热,表明我们可通过观察预测湍流来预测等离子体的温度变化。未来,我们希望在此基础上开发出实时控制等离子体温度的方法。
(原标题:高速运动的等离子体湍流首次发现)

责任编辑:王蕙蓉

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