仿星器开发速度提升10倍: 科学家解决了存在几十年的反应堆缺陷

核聚变科学家刚刚解决了一个存在了几十年的反应堆缺陷，将仿星器的开发速度提高了10倍，并为清洁、无限的能源带来了希望。

几十年来，核聚变能源向人类承诺了一种清洁、安全、几乎无限的革命性能源。

与化石燃料甚至传统核能不同，核聚变模仿太阳的能源生产，将原子融合在一起释放大量能量，而不会排放温室气体或长寿命的放射性废物。

然而，一个顽固的问题使这个梦想无法实现：无法在聚变反应堆中可靠地容纳高能粒子。

这些粒子 —— 对保持等离子体足够热以进行持续聚变至关重要 —— 往往会从反应堆磁场中的洞中逸出，耗尽能量并停止反应。

现在，来自德克萨斯大学奥斯汀分校、洛斯阿拉莫斯国家实验室和Type One能源集团的一组研究人员发现了一种更快、更准确的方法来修复这些磁性缺陷。

这将加速仿星器的发展，仿星器是最有前途的核聚变反应堆设计之一。

为什么粒子不断泄漏

聚变反应堆依赖于被限制在强磁场中的过热等离子体。

一个主要问题是高能α粒子的逃逸，这种粒子被认为有助于维持等离子体的热量和压力。当这些粒子泄漏时，它们会削弱反应，阻止持续聚变所需的条件。

仿星器特别依赖于复杂的磁线圈来制造一个“磁瓶”来捕获这些粒子。

然而，这些磁场通常包含不可见的“洞”，阿尔法粒子可以从中逃逸。使用基于牛顿定律的传统方法来精确定位和纠正这些缺陷是计算密集型和缓慢的。

设计过程变得繁琐，因为工程师需要模拟和测试数百种线圈的变化。

新方法将设计时间缩短90%

为了使这一过程易于管理，科学家们长期以来一直使用一种更快但精度低得多的技术，即微扰理论，但这种技术经常导致严重的错误。

研究小组开发的新方法在他们最近的论文中进行了详细的介绍，它利用对称理论来精确定位和消除磁孔，而只需要十分之一的计算能力。

“最令人兴奋的是，我们正在解决一个近70年来一直悬而未决的问题，”德克萨斯大学物理学助理教授、该论文的第一作者乔希·伯比（Josh Burby）说。“这是我们设计这些反应堆的一个范式转变。”

超越仿星器的影响：托卡马克安全收益

虽然这种方法是为仿星器设计的，但它的应用范围也扩展到了托卡马克 —— 一种被广泛研究的仿星器。

在托卡马克中，危险在于失控的电子，如果控制不当，它们可能会刺穿反应堆壁。这项新技术可以帮助绘制磁场的薄弱点，有可能提高反应堆的安全性和耐久性。

“没有我们的结果，目前还没有切实可行的方法来找到α粒子约束问题的理论答案，”乔希·伯比说。

“直接应用牛顿定律太昂贵了。摄动方法会产生严重的误差。我们的理论是第一个绕过这些陷阱的理论。”

走向商业化聚变能源

这一突破不仅解决了一个特定的技术瓶颈，而且为竞相将核聚变电力商业化的公司提供了一个具体的工具。

参与这项研究的Type One Energy Group正积极致力于建造下一代仿星器，用于能源生产。

完整的研究发表在《物理评论快报》上。

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