美國能源部(DOE)的普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)正在與私營企業(yè)合作進行旨在實現(xiàn)商業(yè)聚變能的尖端聚變研究。這項工作是通過公私DOE贈款計劃實現(xiàn)的，支持了開發(fā)高性能聚變級等離子體的努力。在一個這樣的項目中，PPPL正在與麻省理工學(xué)院的等離子體科學(xué)與融合中心(PSFC)和英聯(lián)邦融合系統(tǒng)合作，這是從麻省理工學(xué)院分離出來的一家新興公司，正在開發(fā)一種稱為“ SPARC”的托卡馬克融合裝置。

該項目的目標是在給定約束等離子體的超導(dǎo)磁體的尺寸和潛在的未對準的情況下，預(yù)測在SPARC的聚變反應(yīng)過程中產(chǎn)生的快速“α”粒子的泄漏。這些粒子會產(chǎn)生大量自熱或“燃燒的等離子體”，從而促進聚變反應(yīng)。燃燒等離子體的發(fā)展是聚變能研究的主要科學(xué)目標。但是，α粒子的泄漏會減慢或停止聚變能的產(chǎn)生，并損壞SPARC設(shè)施的內(nèi)部。

新型超導(dǎo)磁體

SPARC機器的主要特點包括其緊湊的尺寸和強大的磁場，這是由于新型超導(dǎo)磁體能夠在比現(xiàn)有超導(dǎo)磁體更高的磁場和應(yīng)力下運行而實現(xiàn)的。這些功能將使設(shè)計和建造更小，更便宜的聚變設(shè)施成為可能，正如SPARC團隊在最近的出版物中所描述的那樣-假設(shè)聚變反應(yīng)中產(chǎn)生的快速α粒子可以被包含足夠長的時間，以保持等離子體熱。

通過美國能源部聚變能源創(chuàng)新網(wǎng)絡(luò)(INFUSE)計劃參加該項目的PPPL物理學(xué)家Gerrit Kramer說：“我們的研究表明它們可以實現(xiàn)。” 這項為期兩年的計劃由PPPL物理學(xué)家艾哈邁德·迪亞洛(Ahmed Diallo)擔(dān)任副主任，旨在通過與國家實驗室的合作來加速聚變能的私營部門發(fā)展。

密密麻麻的

《等離子體物理學(xué)》雜志的合著者克萊默說：“我們發(fā)現(xiàn)，α粒子確實在SPARC設(shè)計中得到了很好的限制。” 他與主要作者史蒂文·斯科特(Steven Scott)緊密合作，史蒂文·斯科特(Steven Scott)是英聯(lián)邦融合系統(tǒng)顧問和PPPL的前長期物理學(xué)家。

克萊默使用PPPL開發(fā)的SPIRAL計算機代碼來驗證顆粒限制?？巳R默說：“該代碼模擬了磁場中的波狀圖案或波紋，該波狀圖案或波紋可以允許快速粒子逃逸，顯示出良好的密封性，并且對SPARC壁沒有損壞。” 此外，他補充說：“ SPIRAL代碼與芬蘭的ASCOT代碼非常吻合。盡管這兩個代碼完全不同，但結(jié)果卻是相似的。”

這一發(fā)現(xiàn)使斯科特感到高興。他說：“很高興看到我們對波紋引起的損耗的理解得到了計算驗證，因為我早在1980年代初期就在我的博士論文中對這一問題進行了實驗研究。”

聚變反應(yīng)將等離子體形式的輕元素結(jié)合在一起，產(chǎn)生了巨大的能量，等離子體是由自由電子和原子核(或離子)組成的熱的帶電狀態(tài)，占可見宇宙的99%，該熱態(tài)處于充電狀態(tài)。世界各地的科學(xué)家都在尋求將聚變作為一種幾乎無限的發(fā)電來源。

重點指導(dǎo)

Kramer及其同事指出，SPARC磁鐵的未對準會增加由波紋引起的聚變顆粒的損失，從而導(dǎo)致撞擊壁的功率增加。他們的計算應(yīng)為SPARC工程團隊提供重要指導(dǎo)，以確保磁體必須對齊得很好，以避免過多的功率損耗和壁損壞。正確對齊的磁體將使首次研究等離子體自熱成為可能，并在未來的聚變電站中開發(fā)出改進的等離子體控制技術(shù)。

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