2020年7月1
在地球上创造聚变能的一个挑战是在强磁场中捕获被称为等离子体的带电气体，该气体为聚变反应提供燃料，并尽可能长时间地保持等离子体的热密度。
现在，美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们对一种被称为锯齿不稳定性的常见故障有了新的认识，锯齿不稳定性使中心的热等离子体冷却，并干扰聚变反应。这些发现有助于使核聚变能更接近现实。
“传统的模型解释了大多数锯齿形碰撞的例子，但有一部分观察结果是我们无法解释的。”PPPL的物理学家Christopher Smiet说，他是一篇报告结果的论文的主要作者核聚变．“解释这些不寻常的事件将填补人们对锯齿现象的理解空白，这种现象已经存在了近40年。”
核聚变将轻元素以等离子体的形式结合在一起，等离子体是由自由电子和原子核组成的高温带电物质，在这个过程中，太阳和恒星产生了大量的能量。科学家们正试图在地球上的设备中复制核聚变，以获得几乎取之不尽的安全、清洁的电力来发电。
几十年来，研究人员已经知道，聚变等离子体核心的温度通常缓慢上升，然后突然下降——这是一种不希望发生的情况，因为较低的温度会降低效率。
主流理论认为，当测量等离子体稳定性的安全系数降至接近1时，就会发生碰撞。安全系数与甜甜圈形状的托卡马克聚变装置中磁场的捻度有关。
然而，一些观察结果表明，当安全系数降至0.7左右时，会发生温度碰撞。这是非常令人惊讶的，并且不能用最广泛接受的理论来解释。
这一新见解并非来自等离子体物理学，而是来自抽象数学，它表明，当安全系数取特定值时，其中一个接近0.7，等离子体核中的磁场可以变成一种称为交变双曲线的不同构型。“在这种拓扑结构中，等离子体在核心中丢失”,Smiet说。
“等离子体以相反的方向从中心排出。这导致了一种新的方式，使磁笼部分开裂，核心温度突然下降，并在磁场和温度缓慢恢复时重复这一过程。”
新的见解表明了一个令人振奋的新研究方向，即在等离子体中保持更多的热量，并更有效地产生聚变反应。“如果我们不能解释这些异常值，那么我们就不能完全理解这些机器中发生了什么，”斯密特说。“对抗锯齿不稳定性可以产生更热、更扭曲的等离子体，使我们更接近核聚变。”
这个模型起源于纯粹的抽象数学研究。史密特找到了一种数学方法来描述托卡马克中心的磁场。所有可能的构型都可以与一个称为李群的代数结构相关联。
“数学真的很美，”Smiet说。“这个数学组给你一个e你可以看到所有可能的磁构型，以及何时一种构型可以变成另一种构型。”
新的模型表明，托卡马克中的磁结构发生变化的时间之一是当安全系数精确下降到三分之二或0.666时。史密特说:“这与实验中发现的数值0.7非常接近，尤其是考虑到实验的不确定性。”“这些结果中最美丽的部分之一，”他说，“是因为它们来自于纯粹的数学。”
Smiet希望通过在托卡马克上进行实验来验证新模型。“数学告诉了我们要寻找什么，”他说，“所以现在我们应该可以看到它了。”
资料来源：https://www.pppl.gov/