融合研究人員面臨的一個關(guān)鍵障礙是了解湍流，漣漪和漩渦可能導(dǎo)致超熱等離子體促使聚變反應(yīng)泄漏熱量和顆粒并防止融合發(fā)生。理解和減少湍流將促進融合的發(fā)展，作為一種安全，清潔和豐富的能源來源，用于從世界各地的發(fā)電廠發(fā)電。

在美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)，科學(xué)家們組建了一個大型數(shù)據(jù)庫，詳細測量邊緣等離子體湍流的二維(2-D)結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)通過稱為氣體噴射的診斷技術(shù)可見成像。在稱為托卡馬克的聚變裝置內(nèi)測量的兩個維度表示湍流的徑向和垂直結(jié)構(gòu)。

邁向更全面的理解

“這項研究是朝著更全面理解湍流的方向邁出的一步，”物理學(xué)家Stewart Zweben說，該研究的主要作者發(fā)表在“ 等離子體物理學(xué) ”雜志上。“它可以幫助我們了解湍流是如何成為等離子體限制泄漏的主要原因。”

融合在太空中自然發(fā)生，將等離子體中的輕元素合并以釋放為太陽和恒星提供能量的能量。在地球上，研究人員在像托卡馬克這樣的設(shè)施中創(chuàng)造了融合，這些設(shè)施通過磁場控制熱等離子體。但是湍流經(jīng)常導(dǎo)致熱量從其磁約束中泄漏。

PPPL科學(xué)家現(xiàn)在已經(jīng)深入研究了先前公布的湍流特征，并分析了數(shù)據(jù)，重點關(guān)注湍流中的二維空間相關(guān)性。這種相關(guān)性為導(dǎo)致熱量和顆粒泄漏的湍流行為的起源提供了線索，并將作為測試湍流計算機模擬的經(jīng)驗證據(jù)的附加基礎(chǔ)。

研究20次等離子體放電

本文研究了20種等離子體放電，作為PPPL國家球形環(huán)面實驗(NSTX)最近升級之前的代表性樣品。在這些放電中的每一個中，氣體噴射照亮了等離子體邊緣附近的湍流，其中湍流是特別感興趣的。抽吸是中性原子的來源，它響應(yīng)于明確區(qū)域內(nèi)的密度變化而發(fā)光，使研究人員能夠看到湍流密度的波動?？焖傧鄼C以64像素寬×80像素高的圖像幀尺寸以400,000幀/秒的速率記錄所得到的光。

Zweben和共同作者對來自相機的數(shù)據(jù)進行了計算分析，確定了當(dāng)湍流漩渦穿過它們時幀的不同區(qū)域之間的相關(guān)性。“我們正在觀察空間結(jié)構(gòu)的模式，”Zweben說。“你可以將它與飄過的云層的結(jié)構(gòu)進行比較。一些大的云層可以聚集在一起，或者可以在平坦的天空中休息。”

湍流的詳細視圖

相關(guān)性提供了等離子體湍流性質(zhì)的詳細視圖。“關(guān)于湍流的簡單事情，如它的大小和時間尺度早已為人所知，”該論文的共同作者PPPL物理學(xué)家Daren Stotler說。“這些模擬深入探討了另一個層面，以了解等離子體的一部分湍流如何隨著另一部分的湍流而變化。”

在生成的圖形中，藍色十字表示計算的焦點; 十字架周圍的紅色和黃色區(qū)域是湍流與焦點處的湍流類似地發(fā)展的區(qū)域。更遠的地方，研究人員發(fā)現(xiàn)了湍流與焦點變化相反的區(qū)域。這些更遠的區(qū)域在圖形中顯示為藍色陰影，黃色十字表示具有最負(fù)相關(guān)的點。

例如，如果紅色和黃色圖像是高密度湍流的區(qū)域，則藍色圖像表示低密度。“密度增加必須來自某個地方，”Zweben說。“也許來自藍色地區(qū)。”

展望未來，對這些相關(guān)性的了解可用于預(yù)測磁約束等離子體中湍流的行為。這項努力的成功可以加深對聚變反應(yīng)失熱的根本原因的理解。