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2018
05-12

Grad学生创建帮助稳定等离子体的程序


普林斯顿大学研究生伊梅尔·古米里与美国能源部(DOE)的普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家合作,模拟了一种限制不稳定性的方法,以降低聚变等离子体的性能。那里的不稳定性越高,被称为托卡马克的甜甜圈形聚变设施效率越低。期刊核聚变在2016年2月发表了这项研究的结果。该研究得到了美国能源部科学办公室的支持。

新方法使用来自传感器的反馈来实时控制等离子体的旋转,在托卡马克和燃料聚变反应中旋转。普林斯顿机械与航空航天工程系的学生Goumiri领导设计了一种采用两种不同类型的执行器的控制器。第一种是通过向等离子体中注入高能中性粒子来提供引起旋转的扭矩或扭力。第二个使用托卡马克的三维线圈创建一个磁场,产生一个扭矩作为一个拖动的旋转和减慢。

Goumiri在升级之前,从PPPL的国家球形环面实验(NSTX)收集​​的数据中建立了一个等离子体旋转模型,并用它在MATLAB软件中构建程序。然后,她将该程序翻译成基于PPPL的TRANSP代码(一种分析等离子体性能的全球标准)的预测模型。 TRANSP模型发现新方法在控制旋转方面是有效的。本文的第一作者Goumiri说:“这证实了我们模型的有效性和控制器的有效性。合着者包括普林斯顿机械和航天工程学教授克拉伦斯·罗利和PPPL的首席研究物理学家,以及作为学术顾问的仿星物理学领导者大卫·盖茨。和哥伦比亚大学高级研究科学家,应用物理学兼职教授史蒂夫·萨巴巴(Steve Sabbagh),长期任职于PPPL,她是博士委员会的成员,担任科学顾问。

新程序能够快速适应等离子体的反馈,它吸取了这样一个事实,即以不同的速度旋转等离子体的不同部分会产生称为“剪切”的力,从而减少不稳定性。旋转还可以破坏运输,这是一个从等离子体泄漏热量并干扰聚变反应的过程。

新模型的一个独特之处是使用三维磁场来控制中性束注射器产生的扭矩。由这些磁场产生的阻力,技术上被称为“新古典环向粘度”,使研究人员能更精确和连续地控制等离子体旋转。

展望未来,研究人员指出升级的NSTX被称为国家球形环面实验升级(NSTX-U),它具有第二个中性束注射器,可以影响到等离子体边缘更广的区域。这个扩大的区域可以改变剪切力,并能更好地控制等离子体不稳定性。研究人员还指出,这种新型控制器可以根据实验数据进行模拟,而不需要额外的校准实验。新的方法可以取代经典的控制器,如比例积分微分(PID)系统,它使用实验来调整参数。新方法将需要更少的实验,并提供一种方法来预测未来聚变设施中调整等离子体旋转的要求。