科學家嘗試解決在地球上獲取聚變能源的關鍵挑戰

據媒體報導,對於努力在地球上獲取聚變能源的科學家來說,一個關鍵的挑戰是防止所謂的「逃逸電子」(runaway electrons),即在中斷的聚變實驗中釋放出的粒子。由美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的研究人員領導的科學家們使用了一種具有廣泛功能的新型診斷儀來檢測高能「逃逸電子」的誕生、線性和指數增長階段,這可能使研究人員確定如何防止「逃逸電子」的破壞。

科學家嘗試解決在地球上獲取聚變能源的關鍵挑戰

PPPL物理學家Luis Delgado-Aparicio說:「我們需要看到這些電子的初始能量,而不是當它們完全變強並以接近光速的速度移動時,」他領導了在威斯康星大學麥迪遜分校MST(Madison Symmetric Torus)實驗室中檢測早期「逃逸電子」的實驗。Delgado-Aparicio說:「下一步是優化方法,在失控的電子群發展成『雪崩』之前阻止它們,」他是第一篇論文的主要作者,該論文在《科學儀器評論》上詳細介紹了這些發現。

聚變反應通過結合等離子體形式的輕元素產生大量的能量–等離子體是由自由電子和原子核組成的熱的、帶電的物質狀態,構成了可見宇宙的99%。 世界各地的科學家正在尋求在地球上生產和控制核聚變,以獲得幾乎取之不盡、用之不竭的安全和清潔的發電動力。

科學家嘗試解決在地球上獲取聚變能源的關鍵挑戰

PPPL與威斯康星大學合作,在MST上安裝了多能量針孔相機,MST是該相機功能的測試平台。該診斷儀升級並重新設計了PPPL之前在麻省理工學院(MIT)現已關閉的Alcator C-Mod托卡馬克上安裝的相機,其獨特之處在於不僅能夠記錄等離子體在時間和空間上的特性,還能記錄其能量分布。

這種能力使研究人員能夠描述超熱等離子體的演變以及「逃逸電子」的誕生,而「逃逸電子」是從低能量開始的。Delgado-Aparicio表示:「如果我們了解能量含量,我可以告訴你什麼是背景等離子體的密度和溫度,以及逃逸電子的數量。因此,通過添加這個新的能量變量,我們可以找出等離子體的幾個數量,並將其作為一種診斷方法。」

科學家使用新型相機推動了技術的發展。「這當然是一個偉大的科學合作,」物理學家Carey Forest說,他是威斯康星大學的教授,負責監督MST,他將其描述為 「一個非常強大的機器,可以產生逃逸電子,不會危及其運行」。

因此,Forest說:「Luis不僅能夠診斷出電子被加速時的出生位置和最初的線性增長階段,而且還能跟蹤它們如何從外部運入,這種能力非常迷人。將他的診斷與建模進行比較將是下一步,當然,更好的理解可能會在未來帶來新的緩解技術。」

Delgado-Aparicio表示:「我想利用我們在MST上開發的所有專業知識,並將其應用於大型托卡馬克聚變反應堆。」

「我想和我的博士後一起做的是將相機用於很多不同的事情,包括粒子傳輸、約束、射頻加熱,還有這個新的轉折點,對失控電子的診斷和研究,」Delgado-Aparicio說。「我們基本上想弄清楚如何讓電子『軟著陸』,這可能是處理電子的一種非常安全的方式。」

來源:cnBeta