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氢冰靶丸注射可有效为聚变反应提供燃料

《核聚变》杂志报道,美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和橡树岭国家实验室(ORNL)的物理学家们在DIII-D国家核聚变设施中,对比了氢冰靶丸注射和氢气喷射对核聚变反应的影响,发现前者可以有效提高聚变等离子体的温度,更有利于聚变反应的进行。研究人员认为,新成果对ITER(在建国际聚变实验项目)的成功实施有推动作用。

聚变为太阳等星球提供了驱动能量。聚变反应以等离子体形式将轻质元素结合在一起,产生大量能量。科学家们希望在地球上复制核聚变,进而为人类提供安全、清洁、几乎取之不尽的电能。制造聚变能的主要挑战在于如何将冷氢燃料注入热等离子体核心。太阳自身包含了可以消耗数十亿年的氢燃料,而地球上的聚变反应堆则必须不断补充氢燃料,才能维持反应持续进行。

目前,氢气喷射是最主要的燃料提供方式。然而,随着聚变反应堆的规模越来越大,温度越来越高,气体渗透进入聚变反应堆核心的难度也越来越大。因此,研究人员需要在不降低等离子体性能的前提下,开发出新的供能方案。为此,DIII-D的联合研究团队对比了为ITER项目设计的两种供能方式。结果表明,当燃料的加料速率大致相当时,氢冰靶丸注射的等离子体压力明显高于氢气注射。

普林斯顿大学等离子体物理专业研究生、论文作者Andrew Oak Nelson说:“燃料供应在聚变反应中的作用举足轻重。”虽然氢冰靶丸注射技术是由ORNL的科学家开发的,但实验结果的解释是由其他多个机构合作完成的。ORNL首席研究科学家、论文作者Morgan Shafer对此给予了高度评价,他说:“通过多机构合作解决这个重要的燃料问题,这非常令人振奋。它对ITER的实施,以及未来反应堆技术的发展意义重大。”

该研究还展示了如何让研究生在大型国家研究设施中做出贡献的实例。项目顾问、普林斯顿大学物理学家Egemen Kolemen说:“研究生在DIII-D的实验研究中发挥了重要作用,他们的工作令人印象深刻。Oak在项目中取得的成果表明,大型核聚变实验为研究生的早期职业素养培养提供了机会。”

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