美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的研究人員推導(dǎo)并證明了一些微不足道的“準(zhǔn)對稱性”，可以加速聚變能作為安全，清潔和幾乎無限發(fā)展的發(fā)電來源。

聚變反應(yīng)將等離子體形式的輕元素結(jié)合在一起，產(chǎn)生大量的能量，等離子體是由自由電子和原子核組成的熱的帶電狀態(tài)，原子核構(gòu)成可見宇宙的99%。世界各地的科學(xué)家正在尋求在稱為托卡馬克的甜甜圈形聚變設(shè)備中重現(xiàn)該過程，該設(shè)備將等離子體加熱到百萬度的溫度，并將其限制在線圈產(chǎn)生的對稱磁場中，以產(chǎn)生聚變反應(yīng)。

關(guān)鍵問題

這些努力的關(guān)鍵問題是保持在托卡馬克中旋轉(zhuǎn)的甜甜圈形等離子體的快速旋轉(zhuǎn)。但是，由于磁場線圈未對準(zhǔn)而引起的較小的磁場畸變或波動會減慢等離子體的運(yùn)動，使其更加不穩(wěn)定。線圈未對準(zhǔn)和由此產(chǎn)生的磁場波動很小，在磁場的10,000個(gè)部分中僅為1個(gè)，但是它們會產(chǎn)生很大的影響。

在未來的托卡馬克上保持穩(wěn)定，如國際熱核實(shí)驗(yàn)堆(ITER)，這是在法國興建的國際設(shè)施，用以證明聚變能的可行性，對于收集產(chǎn)生的能量至關(guān)重要。最小化磁場波動影響的一種方法是添加額外的磁體，以抵消或治愈磁場誤差的影響。但是，磁場紋波永遠(yuǎn)無法完全消除，到目前為止，還沒有最佳的方法來減輕其影響。

新發(fā)現(xiàn)的方法要求通過消除沿其行進(jìn)路徑的磁場誤差來欺騙旋轉(zhuǎn)的等離子體粒子。PPPL物理學(xué)家樸鐘圭(Jong-Kyu Park)說：“在保持穩(wěn)定性的同時(shí)保持旋轉(zhuǎn)的一種方法是改變磁場的形狀，以使粒子被誤認(rèn)為它們不在波動的磁場中運(yùn)動。”紙?jiān)谖锢碓u論快報(bào)(PRL)，其提出了一種解決方案。帕克說：“我們需要使等離子體內(nèi)部的3D場準(zhǔn)對稱，以使粒子表現(xiàn)出良好的行為，好像它們不受這些場的影響一樣。”

擬對稱

準(zhǔn)對稱性是物理學(xué)家研究扭曲磁場限制系統(tǒng)(稱為恒星器)引入的一種磁場對稱形式，可以用來最小化托卡馬克中3D場的負(fù)面影響。這樣的最小化可以通過增強(qiáng)等離子體的旋轉(zhuǎn)流來改善等離子體的能量限制和穩(wěn)定性。

PPPL物理學(xué)家Raffi Nazikian說：“如果您可以修改這些3D場以減少粒子偏離其起點(diǎn)的趨勢，那么我們就可以保持自然的等離子體旋轉(zhuǎn)以及粒子和熱量的約束。”的紙。

Park和同事已經(jīng)證明了使用準(zhǔn)對稱性可以使托卡馬克中的誤差場波動大體上無害。對位于圣地亞哥的通用原子(GA)的DIII-D國家融合設(shè)施和位于韓國的韓國超導(dǎo)托卡馬克高級研究(KSTAR)設(shè)施進(jìn)行的測試顯示出了積極的結(jié)果。該論文稱，該過程“為聚變?nèi)紵入x子體中的綜合誤差場優(yōu)化提供了可靠的途徑”。

盡管這種優(yōu)化至關(guān)重要，但科學(xué)家通常使用磁場波動來應(yīng)對其他問題。例如，在DIII-D上，研究人員使用特殊的線圈來減少或消除邊緣局部模式(ELM)，這是一種爆炸??性的熱沖擊，會損壞托卡馬克的內(nèi)部。

重要例子

此類情況是很好地利用紋波的最重要例子，新發(fā)現(xiàn)標(biāo)志著在處理不良紋波方面的突破。該論文的共同作者，DIII-D物理學(xué)家，現(xiàn)為哥倫比亞大學(xué)副教授。Paz-Soldan說：“這個(gè)框架肯定會成為這些領(lǐng)域未來控制策略發(fā)展的基礎(chǔ)。”

科學(xué)家們還積極追求準(zhǔn)對稱性的概念，以優(yōu)化與3D場本質(zhì)相關(guān)的恒星融合技術(shù)的設(shè)計(jì)。該概念已證明在最小化恒星器中的熱量和顆粒損失方面取得了成功，這是使用一系列復(fù)雜的扭絞線圈(在棒棒糖上像條帶一樣螺旋形纏繞以產(chǎn)生磁場)形成的圓棒狀設(shè)備的長期存在的問題。

恒星的工作說明了準(zhǔn)對稱在融合研究中的廣泛應(yīng)用。帕克說，下一步將是將該概念應(yīng)用于國際熱核實(shí)驗(yàn)堆，“以便我們能夠做得更好，以糾正該托卡馬克中的錯(cuò)誤字段。”