研究人员利用超级计算机发现改善聚变约束的新线索

核聚变——两个原子核结合形成一个新原子核，从而释放能量——可能是未来清洁、可靠、无限的能源。但首先，科学家必须学会如何控制核聚变的产生。

基于数十年的研究，科学家们已经开发出先进的技术来改善托卡马克聚变反应堆中超热等离子体的限制。托卡马克是一种系统，它使用围绕环形腔室的大型磁线圈来控制由氢燃料形成的带电等离子体粒子。

托卡马克的约束受到湍流引起的微小但稳定的热量损失的限制——同样的效果也会导致飞机飞行不稳定或咖啡中奶油复杂的漩涡。

改善托卡马克约束的一个重要方法是常用的中性束注入(NBI)系统的副产品。NBI 使用强粒子束将等离子体加热到 1.5 亿摄氏度(比太阳核心高 10 倍)以发生聚变。除了加热等离子体外，该光束还使等离子体围绕托卡马克腔体旋转。人们普遍认为这种旋转可以提高约束质量。

然而，美国能源部橡树岭国家实验室在 Frontier 超级计算机上进行的一项新研究揭示了这条规则的重要例外。

在《等离子体物理与受控聚变》杂志发表的一篇论文中，通用原子公司和加州大学圣地亚哥分校的研究人员通过对托卡马克外壁附近等离子体边缘湍流的精确百亿亿次模拟，揭示了令人惊讶的结果。

“等离子体边缘区域非常重要，因为它决定了等离子体中能量和热量的整体约束。但计算这个边缘区域的湍流非常困难。要做到这一点，你必须捕捉到非常重的离子和非常轻的电子之间的微妙相互作用——这种相互作用经常被忽视，”圣地亚哥通用原子公司的物理学家、论文的主要作者艾米丽·贝利说。

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