實(shí)時(shí)控制等離子體溫度新方法可預測等離子體溫度變化

為了使核聚變發(fā)生，需要將超過(guò)1億攝氏度的等離子體穩定地限制在磁場(chǎng)中，并長(cháng)時(shí)間保持。日本國立聚變科學(xué)研究所與美國威斯康星大學(xué)合作研究團隊，首次在世界上發(fā)現了大型螺旋裝置中等離子體在熱量逸出時(shí)，湍流的運動(dòng)速度比熱量快。這種湍流的特征使預測等離子體溫度的變化成為可能，對其觀(guān)測或將導致未來(lái)開(kāi)發(fā)一種實(shí)時(shí)控制等離子體溫度的方法。研究結果發(fā)表在近日的《自然·科學(xué)報告》雜志上。

在受磁場(chǎng)約束的高溫等離子體中會(huì )產(chǎn)生“湍流”，這是一種具有不同大小的渦旋的流動(dòng)。這種湍流導致等離子體受到干擾，來(lái)自受限等離子體的熱量向外流動(dòng)，導致等離子體溫度下降。為了解決這個(gè)問(wèn)題，有必要了解等離子體中的熱和湍流特性。然而，等離子體中的湍流十分復雜，研究人員尚未完全了解。特別是產(chǎn)生的湍流如何在等離子體中運動(dòng)還未明確，因為需要能夠以高靈敏度和極高時(shí)空分辨率測量微小時(shí)間演變的儀器。

等離子體中會(huì )形成一道“屏障”，阻止熱量從中心向外傳輸。該屏障在等離子體中產(chǎn)生強烈的壓力梯度，并產(chǎn)生湍流。日本研究小組已經(jīng)開(kāi)發(fā)出一種通過(guò)設計磁場(chǎng)結構來(lái)打破這一障礙的方法。這種方法更方便研究障礙被打破時(shí)劇烈流動(dòng)的熱量和湍流，并詳細研究它們之間的關(guān)系。然后，研究人員使用不同波長(cháng)的電磁波，以世界上最高精度測量了電子的溫度變化、熱量和湍流的變化。此前，人們知道熱量和湍流幾乎同時(shí)以每小時(shí)5000公里的速度移動(dòng)，大約相當于飛機的速度，但這次實(shí)驗首次在世界上發(fā)現湍流以每小時(shí)40000公里的速度先于熱量移動(dòng)，已接近火箭的速度。

日本國立聚變科學(xué)研究所助理教授劍持尚輝說(shuō)，這項研究極大地提高了我們對聚變等離子體中湍流的理解。湍流的新特征，即它在等離子體中的移動(dòng)速度遠遠快于熱，表明我們可通過(guò)觀(guān)察預測湍流來(lái)預測等離子體的溫度變化。未來(lái)，我們希望在此基礎上開(kāi)發(fā)出實(shí)時(shí)控制等離子體溫度的方法。(科技日報實(shí)習記者 張佳欣)

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