未來旨在捕獲和控制核聚變能量的設施設備，一個關鍵要求是準確預測等離子體的壓力，等離子體是一種熱的帶電氣體，在容納反應甜甜圈形狀的托卡馬克內為聚變反應提供燃料。這些預測的核心是預測刮離層(SOL)(等離子體邊緣的薄帶氣體)對偏濾器（排出聚變反應產生廢熱的設備）施加的壓力。美國能源部(DOE)普林斯頓等離子物理實驗室(PPPL)的科學家，對刮離層壓力平衡的物理機制提出了新見解。
這種平衡必須確保整個托卡馬克的等離子體壓力足夠高，以產生很大程度上的自熱聚變反應。天平還必須限制熱和等離子體粒子撞擊偏濾器和托卡馬克的其他面向等離子體組件的潛在破壞性影響。
PPPL物理學家Michael Churchill說：以前關於刮離層壓力平衡的簡單假設不完整，模擬刮離層的代碼常常丟棄了物理學的重要方面，現在開始認識到這一點。聚變是驅動太陽和恆星的動力，是以等離子體形式的輕元素聚變，由自由電子和原子核組成的物質熱帶電狀態：產生大量能量。
科學家們正在尋求在地球上複製聚變，以獲得幾乎取之不盡的能量供應來發電。普林斯頓等離子物理實驗室的科學家通過在國家能源研究科學計算中心(NERSC)的CORI和愛迪生超級計算機上運行最先進的XGCa計算機代碼，確定了壓力平衡背後的關鍵因素，NERSC是美國能源部科學辦公室的用戶設施。該代碼在詳細的動力學或粒子運動水平上處理等離子體，而不是將其視為流體。發現的關鍵特徵之一是離子的體積漂移的影響，這一影響以前的代碼在很大程度上被忽略了。
然而這樣的漂移「可以發揮不可或缺的作用」，並且「非常重要，需要考慮」。在動量或壓力平衡中也被視為重要的是動力學粒子效應，這是由於離子根據其方向具有不同的溫度。由於刮層中離子的溫度很難測量，所以應該加大診斷力度，準確測量離子溫度和流量，從而更好地了解離子在溶膠中的作用。新發現可以提高對偏濾器刮層壓力的理解，並可能促使對正在法國建設的國際熱核實驗堆和其他下一代托卡馬克更準確的預測。
博科園｜研究/來自：普林斯頓等離子體物理實驗室
參考期刊《Nuclear Fusion》
DOI: 10.1088/1741-4326/ab2af9
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