太好了,發現電流產生的新機制,或能實現穩定控制核聚變反應

天空之城 2020/09/12 檢舉 我要评论

可以說電流無處不在,從給家庭供電到控制為聚變反應提供燃料的等離子體,再到可能產生巨大的宇宙磁場。現在,美國能源部(DOE)普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的科學家們,發現電流可以以前所未有的方式形成。這些新發現可能會給科學家帶來更大的能力,將驅動太陽和恒星的聚變能量帶到地球上。普林斯頓大學等離子體物理專案的研究生伊恩·奧克斯(Ian Ochs)說:

瞭解哪些過程會在等離子體中產生電流,以及哪些現象可能會干擾它們,這一點非常重要,其研究發現發表在《等離子體物理學》期刊上。電流是在磁聚變研究中用來控制等離子體的主要工具。核聚變是以等離子體的形式將輕元素撞擊在一起的過程,等離子體是由自由電子和原子核組成物質的熱、帶電狀態,產生大量的能量。科學家們正在尋求複製聚變,以提供幾乎取之不盡的電力來發電。

這些意想不到的電流,出現在被稱為托卡馬克甜甜圈形狀聚變設施中的等離子體中。當一種特定類型的電磁波(如收音機和微波爐發出的電磁波)自發形成時,電流就會產生。這些波推動了一些已經在移動的電子,這些電子就像衝浪板上的飆網者一樣。但是這些波的頻率很重要,當頻率較高時,波會導致一些電子向前移動,另一些電子向後移動,這兩個運動相互抵消,不會產生電流。

發現電流產生的新機制

然而,當頻率較低時,波在電子上向前推進,在原子核或離子上向後推進,最終產生淨電流。研究發現,當低頻波是一種名為「離子聲波」的特殊類型時,可以令人驚訝地產生這些電流,這種類型類似於空氣中的聲波。這一發現的意義,從實驗室相對較小規模延伸到宇宙的巨大規模。宇宙中有不同尺度的磁場,包括星系的大小,真不知道它們是如何到達那裡的。

新發現的機制可能有助於瞭解宇宙磁場是如何「播種」的,任何可以產生磁場的新機制都會引起天體物理學家的興趣。紙筆計算的結果由數學運算式組成,使科學家能夠計算這些沒有直接相互作用的電流是如何發展和增長的。這些運算式的表述並不簡單。必須濃縮這些發現,這樣它們才會足夠清晰,並使用簡單的運算式來捕捉關鍵物理問題。研究結果加深了對一種基本物理現象的理解,也是意想不到的。

似乎與傳統的觀念相矛盾,即電流驅動需要電子碰撞。研究的合著者、天體物理科學系教授兼副主任、等離子體物理專案主任納旦尼爾·菲施(Nathaniel Fisch)說:波是否能在等離子體中驅動任何電流的問題實際上是非常深刻的,涉及到等離子體中波的基本相互作用。研究以精湛的說教方式和數學上的嚴謹,推導出的不僅是這些效應有時是如何平衡的,而且這些效應有時是如何合力形成淨電流的,這些發現也為今後的研究奠定了基礎。

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