2020年6月30
美国国立自然科学研究院(NINS)核聚变科学研究所(NIFS)的助理教授Masahiko Sato和教授Yasushi Todo的研究小组成功地利用计算机模拟再现了在大型螺旋装置(LHD)中观测到的高压等离子体约束。亚博老虎机网登录
这一结果为实现经济的螺旋聚变反应堆的等离子体行为提供了高度精确的预测。
为了实现聚变能，必须利用磁场对高压等离子体进行长时间的限制。虽然高压等离子体可以被更强的磁场约束，但使用电磁线圈产生更强磁场的成本更高。
因此，在磁场强度相同的情况下，可以限制高压等离子体的装置在经济上是可取的。由于LHD成功地维持了高压等离子体，因此实现螺旋聚变反应堆具有很大的前景。
未来聚变反应堆的设计研究是基于计算机模拟预测磁约束等离子体的行为。我们需要高度精确的模拟。为了验证该方法的准确性，需要仿真再现现有设备所获得的实验结果。
然而，模拟并没有再现LHD的实验结果，表明高压等离子体得到了维持。这已经成为经济型螺旋聚变反应堆设计研究的一个严重问题。
对LHD中的高压等离子体进行了模拟，该模型将等离子体视为流体。在该流体模型中，计算了组成等离子体的多个离子的平均运动，忽略了多个离子在不同速度下的运动差异。
在NIFS，为了提高模拟精度，开发了一个计算多个离子单独运动的程序。这个被称为“混合模拟程序”的程序已经被用来研究在未来聚变反应堆中维持高温等离子体中扮演重要角色的高能离子。
佐藤正彦(Masahiko Sato)助理教授和东藤靖(Yasushi Todo)教授试图利用混合模拟程序再现LHD中的高压等离子体约束。他们把注意力集中在来回移动的离子上，这些离子被称为“困住的离子”(图1)，其运动是LHD的一个特征。
为了研究被困离子的影响，研究人员研究了等离子体压力的长期演化和数以千万计的离子，其中包括数以百万计的被困离子。虽然这样的模拟需要大量的计算，但研究人员充分利用了“等离子体模拟器”(NIFS拥有的超级计算机)，成功地重现了LHD的实验结果，表明高压等离子体得到了维持(图2)。
通过对模拟数据的详细分析，发现捕获的离子通过抑制引起等离子体压力降低的波动，对高压等离子体的稳定约束起到了很大的作用。
因此，研究小组大大提高了未来螺旋聚变反应堆高压等离子体的预测精度。期望在此基础上，能够加快经济型螺旋反应器的设计研究。
本研究成果发表于《离子动力学对螺旋等离子体中线性压力驱动MHD不稳定性的影响》等离子体物理学杂志2020年6月。
来源:https://www.nins.jp/en/