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氢冰球被证明可有效地为聚变等离子体提供燃料

研究人员发现,在通用原子公司为美国能源部(DOE)运营的DIII-D国家聚变设施中,注入氢气冰而不是吹氢气可以改善聚能。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和橡树岭国家实验室(ORNL)的物理学家进行的研究比较了这两种方法,展望了将在法国正在建设的国际聚变实验ITER中使用的燃料。

改善温度

研究人员表明,与目前通常用于甜甜圈状聚变设备(称为托卡马克)的气体燃料供给方法相比,冰冷的氢粒能改善聚变等离子体的温度。较高的温度有利于聚变反应。DIII-D上的结果对ITER来说是令人鼓舞的,ITER计划使用颗粒喷射为其热的内芯加油。

聚变是驱动太阳和恒星的力量,它以等离子体的形式结合光元素(一种由带正电的原子核和带负电的电子组成的物质状态)来产生大量的能量。科学家试图在地球上复制核聚变,以提供安全,清洁和几乎取之不尽的发电能力。

产生聚变能的挑战之一是如何使冷氢燃料进入热等离子体核。太阳拥有数十亿年所需的所有氢,但是地球上的聚变反应堆必须不断地向等离子体中注入氢以维持聚变反应。在当前实验中,吹入室温气体是注入氢的最常见方法。

更大更热

但是,随着聚变反应堆变得越来越大和越来越热,气体将更难以渗入发生聚变反应的反应堆堆芯。因此,需要开发新的方法来馈送融合核而不降低等离子体性能。

在DIII-D上的联合研究工作比较了计划用于ITER的高性能等离子体中的两种加油方法。实验表明,当两种方法的加油速度大致均匀地匹配时,与气体注入相比,使用氢冰的等离子体压力显着较高(这是聚变反应的关键)。

普林斯顿大学等离子体物理专业的研究生,《核聚变》文章的第一作者安德鲁•“奥克•尼尔森”(Andrew“ Oak” Nelson)说:“加油在边缘等离子体性能中起着重要作用。” 纳尔逊(Nelson)是一个由多机构组成的团队的一部分,该团队精心设计并执行了实验。

ORNL的科学家

冰粒的注入技术是ORNL的科学家开发的。对实验结果的解释需要DIII-D的多个合作机构开发的复杂科学仪器。该论文的共同作者,ORNL的首席科学家Morgan Shafer说:“很高兴看到我们的多机构努力如何共同解决ITER和未来反应堆这个重要的燃料问题。”

该研究还展示了研究生如何通过在这些大型国家研究机构中工作对融合能做出重要贡献。PPPL和普林斯顿大学物理学家,曾担任该项目顾问的Egemen Kolemen说:“让一名研究生在DIII-D的这项实验研究中扮演重要角色,令人印象深刻。” “ Oak的成功表明,大型融合实验为学生和早期职业科学家提供了重大的领导机会。”

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