聚变实验中快离子(黑色螺旋)与等离子体波(彩色)相互作用示意图。资料来源:史蒂夫·艾伦(劳伦斯利弗莫尔国家实验室)，迈克·范·泽兰(通用原子公司)改编
聚变反应堆中的快速离子和等离子体波参与了一种复杂的能量传递之舞南风和碰撞影响起着重要作用。这种理解对于维持最佳等离子体温度和推进聚变能技术至关重要。
就像海洋中有波浪一样，波浪也可以发生在一种叫做等离子体的带电气体中，等离子体由电子和离子组成。在海里，人们以几乎和海浪一样的速度冲浪。这种匹配条件被称为共振，允许波浪通过交换能量有效地推动冲浪者。
在等离子体中，冲浪者可以是非常快的离子，这可以在聚变装置中产生，作为聚变反应或用于加热等离子体的其他过程的结果。这些快速的离子通常与海洋中的冲浪者相反——它们给海浪提供能量，使它们变得更大。当共振粒子与引力波交换能量时，它们也会被等离子体中的其他粒子通过随机碰撞推挤。
这些碰撞的类型和发生的频率决定了波的大小和粒子的晃动程度。如果海浪太大或太多，它们会把冲浪粒子踢出装置，对墙壁构成潜在的危险，也会减少聚变能的产生。
聚变反应堆挑战
聚变反应堆中的等离子体必须不断加热，以保持产生能量所需的温度。然而，加热等离子体的快速离子也能与等离子体中的波产生共振。这可能会导致这些波的增长，并有可能将快速离子踢出设备。
研究人员需要了解快速离子和等离子体波之间的共振相互作用，以预测和减轻任何不利影响。这项研究将数学计算与计算机模拟相结合，揭示了不同类型的碰撞是如何相互竞争的，从而确定了共振粒子和等离子体波之间能量传递的方式。
研究人员正在利用这一新的认识来制定如何保持等离子体足够热以维持聚变反应的模型。共振波粒等离子体问题也与星系中的一些引力相互作用有关。这意味着这个项目中的方法可以应用于天体物理学研究，包括暗物质的研究。
了解快速离子碰撞
在聚变实验中，快速离子通过与电子的碰撞将能量提供给背景等离子体，从而使等离子体保持足够的温度以进行聚变。发生两种不同类型的碰撞:扩散散射和对流阻力。扩散碰撞与导致台球桌上的台球散射的碰撞是同一类型的。与此同时，当你把手伸出行驶中的汽车窗外时，你的手所感受到的力是由阻力碰撞造成的。
根据快离子的速度和等离子体的温度，每一种碰撞都会对快离子的行为产生更大的影响。具体来说，较大的快离子速度使阻力更重要，而较高的等离子体温度有利于扩散。
在快速离子通过碰撞加热背景等离子体的同时，它们也可以与等离子体波产生共振作用，从而消耗它们的能量，从而潜在地冷却等离子体。在没有碰撞的情况下，只有当粒子速度与波的速度完全匹配时，快速离子和波之间才会发生共振。
科学家们早就知道，扩散碰撞的作用是“抹去”共振，使粒子能够有效地与波交换能量，即使它们的速度比波的移动速度快一点或慢一点。这项研究的新发现是，当存在阻力时，这种类型的碰撞会改变共振发生的速度，这意味着当快速离子和等离子体波的速度之间存在微小差异时，能量实际上是最有效地交换的。
Reso的作用娘娘腔的功能
在这项研究中，研究人员用一个叫做共振函数的数学对象来描述波粒相互作用的强度，共振函数取决于波粒速度之间的差异。
当阻力碰撞比扩散碰撞发生得更频繁时，更奇怪的事情就会发生——在全新的速度下，有效的能量传递成为可能。这种现象有效地产生了在没有阻力的情况下根本不存在的新共振，以共振函数中出现新的峰值为代表，扩大了共振相互作用的范围。
共振函数完全是理论上推导出来的，它决定了从共振快离子中吸取自由能后，波的大小，以及这些粒子如何被波踢来踢去。非线性计算机模拟与理论预测非常吻合，证实了推导出的共振函数对于两种类型碰撞的任何组合的有效性，并推进了我们对碰撞如何影响等离子体中共振波粒相互作用的基本理解。
随着基本理论的验证，它现在可以自信地应用于改进用于模拟聚变装置中离子运动速度的代码，这是发展商业聚变发电厂道路上的关键一步。
参考文献:“等离子体中动态摩擦引起的共振线移动和分裂”，作者:V. N. Duarte, J. B. Lestz, N. N. Gorelenkov, R. B. White, 2023年3月9日，物理评论通讯。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.130.105101
这项工作得到了能源部科学办公室，聚变能源科学办公室的支持。
分享
推特
电子邮件
分享
以前的文章
更多关于sciitechdaily
物理
科学
物理
生物学
科学
地球
健康
健康
