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太好了,发现电流产生的新机制,或能实现稳定控制核聚变反应

时间:2020-10-11 17:29:12 来源:本站 阅读:4273220次

可以说电流无处不在,从给家庭供电到控制为聚变反应提供燃料的等离子体,再到可能产生巨大的宇宙磁场。现在,美国能源部(DOE)普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的科学家们,发现电流可以以前所未有的方式形成。这些新发现可能会给科学家带来更大的能力,将驱动太阳和恒星的聚变能量带到地球上。普林斯顿大学等离子体物理项目的研究生伊恩·奥克斯(Ian Ochs)说:

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了解哪些过程会在等离子体中产生电流,以及哪些现象可能会干扰它们,这一点非常重要,其研究发现发表在《等离子体物理学》期刊上。电流是在磁聚变研究中用来控制等离子体的主要工具。核聚变是以等离子体的形式将轻元素撞击在一起的过程,等离子体是由自由电子和原子核组成物质的热、带电状态,产生大量的能量。科学家们正在寻求复制聚变,以提供几乎取之不尽的电力来发电。

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这些意想不到的电流,出现在被称为托卡马克甜甜圈形状聚变设施中的等离子体中。当一种特定类型的电磁波(如收音机和微波炉发出的电磁波)自发形成时,电流就会产生。这些波推动了一些已经在移动的电子,这些电子就像冲浪板上的冲浪者一样。但是这些波的频率很重要,当频率较高时,波会导致一些电子向前移动,另一些电子向后移动,这两个运动相互抵消,不会产生电流。

发现电流产生的新机制

然而,当频率较低时,波在电子上向前推进,在原子核或离子上向后推进,最终产生净电流。研究发现,当低频波是一种名为“离子声波”的特殊类型时,可以令人惊讶地产生这些电流,这种类型类似于空气中的声波。这一发现的意义,从实验室相对较小规模延伸到宇宙的巨大规模。宇宙中有不同尺度的磁场,包括星系的大小,真不知道它们是如何到达那里的。

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新发现的机制可能有助于了解宇宙磁场是如何“播种”的,任何可以产生磁场的新机制都会引起天体物理学家的兴趣。纸笔计算的结果由数学表达式组成,使科学家能够计算这些没有直接相互作用的电流是如何发展和增长的。这些表达式的表述并不简单。必须浓缩这些发现,这样它们才会足够清晰,并使用简单的表达式来捕捉关键物理问题。研究结果加深了对一种基本物理现象的理解,也是意想不到的。

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似乎与传统的观念相矛盾,即电流驱动需要电子碰撞。研究的合著者、天体物理科学系教授兼副主任、等离子体物理项目主任纳撒尼尔·菲施(Nathaniel Fisch)说:波是否能在等离子体中驱动任何电流的问题实际上是非常深刻的,涉及到等离子体中波的基本相互作用。研究以精湛的说教方式和数学上的严谨,推导出的不仅是这些效应有时是如何平衡的,而且这些效应有时是如何合力形成净电流的,这些发现也为今后的研究奠定了基础。

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博科园|研究/来自:普林斯顿等离子体物理实验室

参考期刊《等离子体物理学》

DOI: 10.1063/5.0011516

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