banner
banner
banner
banner

Математическая лапша приводит к новому пониманию старой проблемы слияния

2
Mathematical noodling leads to new insights into an old fusion problem

Задача создания энергии синтеза на Земле заключается в захвате заряженного газа, известного как плазма, который питает реакции синтеза в сильном магнитном поле и поддерживает плазму в Горячий и плотный как можно дольше, насколько это возможно. Теперь ученые из Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США получили новое понимание распространенного типа сбоя, известного как пилообразная нестабильность, которая охлаждает горячую плазму в центре и препятствует реакциям синтеза. Эти результаты могут помочь приблизить энергию синтеза к реальности.

«Традиционные модели объясняют большинство случаев сбоев пилообразных, но существует ряд упорных наблюдений, которые мы никогда не могли объяснить, "сказал физик PPPL Кристофер Смит, ведущий автор статьи, сообщающей результаты Nuclear Fusion . «Объяснение этих необычных явлений позволит заполнить пробел в понимании феномена пилообразных, который существует уже почти 40 лет. "

Fusion объединяет легкие элементы в форме плазмы - горячее заряженное состояние материя состоит из свободных электронов и атомных ядер - и в процессе этого генерирует огромное количество энергии на солнце и звездах. Ученые пытаются воспроизвести синтез в устройствах на Земле для практически неисчерпаемого запаса безопасной и чистой энергии для выработки электроэнергии.

Исследователи на протяжении десятилетий знали, что температура в ядре термоядерной плазмы часто медленно повышается, а затем может внезапно упасть - нежелательное явление, поскольку более низкая температура снижает эффективность. Преобладающая теория состоит в том, что сбой происходит, когда величина, называемая фактором безопасности, который измеряет стабильность плазмы, падает до измерения, близкого к 1. Коэффициент безопасности относится к тому, сколько закручивается в магнитном поле в тесте. термоядерные установки в форме токамака.

Однако некоторые наблюдения показывают, что температурный сбой происходит, когда фактор безопасности падает до 0,7. Это довольно удивительно и не может быть объяснено наиболее широко принятыми теориями.

Новое понимание, Исходя не из физики плазмы, а из абстрактной математики, показывает, что когда коэффициент безопасности принимает конкретные значения, одно из которых близко к 0,7, магнитное поле в плазменном ядре может измениться в другую конфигурацию, называемую переменно-гиперболической. «В этой топологии плазма теряется в ядре», - говорит Смит. «Плазма выталкивается из центра в противоположных направлениях. Это приводит к новому способу частичного растрескивания магнитного каркаса, внезапного падения температуры в сердечнике и повторения процесса, когда магнитное поле и температура медленно восстанавливаются. . "

Новые идеи предлагают захватывающее новое направление исследований в направлении сохранения большего количества тепла в плазме и производить реакции синтеза более эффективно. «Если мы не можем объяснить эти посторонние наблюдения, мы не до конца понимаем, что происходит на этих машинах», - сказал Смит. «Противодействие нестабильности пилообразной формы может привести к образованию более горячей и закрученной плазмы и приблизить нас к синтезу».

Эта модель возникла из чисто абстрактных математических исследований. Смит нашел математический способ описания магнитного поля в центре токамака. Все возможные конфигурации могут быть связаны с алгебраической структурой, называемой группой Ли. «Математика действительно красивая, - говорит Смит. «Эта математическая группа дает вам с высоты птичьего полета все возможные магнитные конфигурации и когда одна конфигурация может измениться в другую.»

Новая модель показывает, что один из случаев, когда магнитная конфигурация в токамаке может измениться, это когда коэффициент безопасности падает точно до двух третей или 0. 666. «Это очень близко к значению 0,7, которое наблюдалось в экспериментах, особенно когда учтена неопределенность эксперимента», - сказал Смит. «Одна из самых прекрасных частей этих результатов, - сказал он, - это то, что они пришли от того, что просто играли с чистой математикой».

Smiet надеется проверить новую модель, проводя эксперименты на токамаке. «Математика показала нам, что искать, - сказал он, - так что теперь мы должны это увидеть».


0
Article Tags:

Оставьте комментарий