核聚变装置关键障碍攻克 对等离子体湍流二维结构成像可揭示热量泄漏主因

登高的温石

科技日报北京10月17日电（记者聂翠蓉）据物理学家组织网近日报道，美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们利用充气成像系统，对托克马克核聚变反应装置中的等离子体湍流进行了研究，获得了边缘湍流的二维结构并建立了一个大型数据库。新研究将帮助科学家们找到托克马克装置中热量和粒子泄漏的主要原因，让核聚变早日为全世界普遍供应安全、清洁又丰富的能源。
核聚变是一种在太空发生的天然现象，比如在太阳中心，天然强大的引力场将高温等离子体约束，使得其内的原子核发生聚变反应，释放出巨大能量，其他恒星也是如此。研究人员正在设计像托克马克一样的核聚变装置，用磁场控制高温等离子体，通过可控核聚变反应为人类提供源源不断的清洁能源。但高温等离子体会频繁形成湍流，造成热量和等离子体的流失，使得核聚变不能持续。

3种等离子体排放中湍流相关性图片。图片来源：PPPL实验室
而在发表于最新一期《等离子体物理学》杂志的最新研究中，PPPL物理学家斯特瓦特·兹韦本带领团队获得了湍流二维空间相关性的详细数据。他们选择具有代表性的等离子体样本，在等离子体20次流出的过程中，利用气体成像系统对等离子体边缘附近的湍流进行了成像。气体成像系统中的喷气是一种中性原子来源，这些原子在湍流强度改变时会发光，快速照相机能以高分辨率排除这些喘流的二维结构细节，让研究人员辨认出湍流强度波动情况。
兹韦本和同事对照片数据进行计算机分析后发现，湍流的空间结构形状与空中漂浮的云团非常相似，就像有些大云团会融合形成更大结构，而有些云团又会分裂成更小结构，不同湍流之间也会发生正相关或负相关作用，即等离子体内某部分湍流会随着另部分湍流发生变化。兹韦本表示，对湍流相关性的深入研究，能帮助科学家找到引起热量泄漏的湍流位置，还有助于对现有湍流计算机模型进行检验。