尋求將為太陽和恒星提供動力的核聚變，帶到地球上的科學(xué)家必須處理鋸齒不穩(wěn)定性，即推動核聚變反應(yīng)的等離子體中心壓力和溫度的上下波動，類似于鋸齒狀的鋸片。

如果這些擺動足夠大，它們可能會導(dǎo)致等離子體的整個放電突然崩潰。這種擺動最早是在1974年觀察到，到目前為止，還沒有一個被廣泛接受的解釋實(shí)驗(yàn)觀察的理論。

美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室(PPPL)的科學(xué)家，提出了一種新理論來解釋在甜甜圈狀托卡馬克或聚變設(shè)施中發(fā)生的擺動，這一理論是通過高保真計(jì)算機(jī)模擬創(chuàng)建，似乎與托卡馬克實(shí)驗(yàn)期間的觀察結(jié)果一致。了解這一過程可能對下一代聚變設(shè)施至關(guān)重要，如ITER，這是正在法國建設(shè)的國際實(shí)驗(yàn)，以證明聚變能的實(shí)用性，核聚變將輕元素以等離子體的形式結(jié)合在一起。

等離子體是由自由電子和原子核組成物質(zhì)的帶電狀態(tài)，可以產(chǎn)生大量的能量。尋求在地球上復(fù)制核聚變的科學(xué)家們，打算用此提供幾乎取之不盡的安全和清潔電力供應(yīng)來發(fā)電。新的研究結(jié)果表明，當(dāng)?shù)入x子體核心的壓力達(dá)到某一點(diǎn)時，可以激發(fā)其他不穩(wěn)定性，從而產(chǎn)生突然的壓力和溫度下降。物理學(xué)家斯蒂芬·賈丁說：這些不穩(wěn)定性在等離子體核心產(chǎn)生了混亂或隨機(jī)的磁場，導(dǎo)致了坍塌。

賈丁是發(fā)表在《等離子體物理學(xué)》期刊上研究的主要作者，并在美國物理研究所《科學(xué)之光》特色出版物中強(qiáng)調(diào)了這一點(diǎn)。賈丁說：大多數(shù)托卡馬克放電都呈現(xiàn)鋸齒狀，我們正試圖提供它們解釋背后的物理理論。新發(fā)現(xiàn)與一個長期的理論截然不同，該理論認(rèn)為，導(dǎo)致擺動的是一種導(dǎo)致磁重聯(lián)的不穩(wěn)定性，即等離子體中的磁力線斷裂和斷裂重新連接在一起，這個理論已經(jīng)存在了40多年了。

激發(fā)新理論的動力

推動這一新理論是之前的普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室研究，該研究證明了被認(rèn)為導(dǎo)致磁重聯(lián)的不穩(wěn)定性，實(shí)際上可以自穩(wěn)定等離子體。它通過產(chǎn)生局域電壓來實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，該電壓可以防止等離子體核心中電流達(dá)到足以經(jīng)受磁重聯(lián)的峰值。新的解釋認(rèn)為，即使磁重聯(lián)被抑制，等離子體核心的熱量增加也會激發(fā)局部不穩(wěn)定，這些不穩(wěn)定在鋸齒循環(huán)期間共同作用，使壓力和溫度變平。

由Jardin和PPPL物理學(xué)家Nate Ferraro開發(fā)的代碼模擬演示了這一過程，Nate Ferraro是研究的合著者之一，新的不穩(wěn)定性可以非常迅速地增長，這與傳統(tǒng)理論無法解釋實(shí)驗(yàn)中看到的熱量迅速崩潰是一致的。這一先進(jìn)的模型，為理解鋸齒現(xiàn)象提供了新的途徑。展望未來，科學(xué)家們希望探索該模型在描述“怪獸鋸齒”進(jìn)化和使用高功率射頻天線控制鋸齒擺動等任務(wù)中的適用性。

博科園｜研究/來自：普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室

參考期刊《等離子體物理學(xué)》

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