美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的研究人员正在利用计算机的强大功能来增强被称为仿星器的聚变装置的性能。在一个巨大的环形装置内，等离子体的温度比太阳表面高出许多倍，以强大的受控运动旋转。从外面看，这台机器就像一个被脚手架和走道包裹的金属环。但在内部，它重现了核聚变所需的极端条件——核聚变是太阳和所有其他恒星的能量来源。

在美国能源部 (DOE)科学办公室的支持下，研究人员正在努力加深我们对聚变的理解，其长期目标是将其开发成可行的商业能源。美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室 ( PPPL )的科学家最近在推进仿星器方面取得了重大进展，仿星器是一种很有前途的聚变装置，以其在限制等离子体方面的稳定性而闻名。

核聚变有可能提供一种清洁、几乎无限的能源。与化石燃料不同，核聚变不会产生温室气体，也不会产生长寿命放射性废物。核聚变的工作原理是加热轻原子核（如氢原子核），直到它们形成等离子体（一种过热的带电气体）。由于恒星是由等离子体构成的，因此等离子体约占可见宇宙的 99%。

关键挑战在于控制这种等离子体。为了使聚变能实用化，科学家必须开发出能够维持稳定聚变反应的装置，通过有效地控制和管理高温等离子体，使聚变反应产生的能量大于消耗的能量。

磁约束装置：托卡马克和仿星器

聚变研究人员正在研究几种不同的技术，包括磁约束和惯性约束。最常见的两种磁约束配置是托卡马克和仿星器。它们都使用非常强的磁场来约束等离子体并将其保持在甜甜圈形状。

前研究生亚历山德拉·莱维尼斯 (Alexandra LeViness) 将手放在仿星器（一种扭曲的聚变装置）的一部分上。图片来源：Elle Starkman，PPPL

它们之间的一个不同之处在于它们产生磁场的方式。托卡马克有三组大型磁场线圈。其中一个线圈产生流经等离子体中心的电流。该电流产生的磁场增强了等离子体的约束效果。相比之下，仿星器有许多环绕等离子体外部的磁线圈。它们形成环绕环形的扭曲磁场，无需中心电流。

与托卡马克相比，仿星器具有一些重大优势。它们需要更少的功率来维持聚变反应，设计更灵活，并且它们不太可能发生等离子体中断而损坏设备壁。

然而，仿星器有一个主要问题——它们无法像托卡马克那样保持等离子体的热量。特别是，仿星器很难限制等离子体中能量最高的粒子。其中许多粒子必须被限制以维持聚变反应。此外，能量粒子丢失得越多，它们损坏设备壁的可能性就越大。由于托卡马克围绕轴的对称形状很容易限制粒子，所以它们不存在这个问题。科学家需要解决这个根本问题，然后仿星器才能成为可行的设计方案。

幸运的是，PPPL 的研究人员已经找到了一些解决这个问题的方法。他们知道，某些磁场配置会导致被捕获的粒子以有助于约束的方式发挥作用。

现在，科学家需要知道如何调整磁铁以产生正确形状的磁场。理论上，最好的解决方案是模拟每个粒子在每个磁场中的运动方式。然而，这将需要近乎无限的计算能力和时间。这不切实际。

相反，PPPL 研究人员与奥本大学、德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所和威斯康星大学麦迪逊分校的科学家合作，采用了一种计算能力少得多的替代方法。他们没有预测每个粒子如何移动，而是开发了一个易于计算的代理函数，可以预测粒子离开磁场的速度。这个数字与磁场限制等离子体的程度有一致的关系。利用这个代理函数，该团队能够开发出许多不同的可能等离子体配置，这些配置会损失更少的高能粒子。

虽然其他科学家以前也使用过这种技术，但他们从未将其应用于这种特定类型的仿星器。该项目使用的代码是由美国能源部橡树岭国家实验室和 PPPL 开发。

虽然这些配置不是为特定设备设计的，但它们将帮助科学家向前迈进，了解要走的路。使用这种方法可以帮助推进仿星器研究。最终，它可以使仿星器成为商业聚变发电的可行选择。

编译自/ScitechDaily