DIII-D国家聚变设施最近的研究导致了对聚变等离子体中高能离子的开创性观察，这对维持燃烧等离子体的状态至关重要。这种增强的认识对核聚变发电厂的发展至关重要，对理解太空中的等离子体行为具有重要意义，可能会提高卫星的可靠性。来源:SciTechDaily.com
DIII-D国家的新观测结果nal聚变设施提供了对聚变等离子体中的高能离子的重要见解，这是聚变动力发展和空间等离子体理解的关键，对卫星技术具有重要意义。
在燃烧的等离子体中，保持聚变产生的高能离子的约束是产生能量的必要条件。这些聚变等离子体承载了一系列的电磁波，这些电磁波可以将高能离子从等离子体中推出。这减少了聚变反应产物对等离子体的加热，结束了等离子体的燃烧状态。
最近在DIII-D国家聚变设施的测量提供了第一次在托卡马克空间和能量中移动的高能离子的直接观察。研究人员将这些测量结果与先进的电磁波计算机模型以及它们如何与高能离子相互作用结合起来。结果提供了一个更好的理解等离子体波和高能离子在聚变等离子体之间的相互作用。
核聚变研究与实际应用进展
等离子体物理和核聚变研究正从实验设施转向示范电厂的设计。为了使这一举措取得成功，研究人员需要精确的模拟和其他工具来预测发电厂的设计将如何执行。目前大多数设备不能产生燃烧的等离子体。然而，研究人员了解了许多相关的物理学，并正在开发模拟来重现观察到的实验行为。
本研究对DIII-D托卡马克的高能离子流进行了新的测量。这将加速解释所有相关波离子相互作用动力学的模型的发展。
这种改进的理解也允许相空间工程的应用。研究人员可以利用这一过程来设计新的融合等离子体方案，该方案基于预测的波和离子之间的理想相互作用。值得注意的是，这些相互作用也会损害卫星，因此这项研究可能有助于提高卫星的可靠性。
测量(左)和模拟(右)DIII-D等离子体中的高能离子流。从中性光束的注入能量开始，注入的离子由于与电磁波的相互作用而在空间和能量上移动。资料来源:通用原子公司杜向东
DIII-D国家的创新nal聚变设施
DIII-D国家聚变设施(美国能源部的一个用户设施)的研究人员使用了一种新的诊断系统——成像中性粒子分析仪(INPA)的首次测量，观察了托卡马克中高能离子的流动。经过多年的概念化、设计和构建INPA的努力，现在首次提供了观察这种行为的能力。
中性束注入托卡马克后，高能离子与电磁等离子体波相互作用，在托卡马克中以能量和位置流动。模拟再现了观察到的行为，从而证明了第一原理模型在描述基本物理方面的准确性。提高对这些波粒相互作用的理解与核聚变发电厂的设计和理解在外层空间观察到的等离子体的行为有关。
INPA测量中性束注入的高能离子的能量，这些离子的能量大于背景等离子体的能量，跨越时间和空间位置，从热等离子体核心到冷等离子体边缘，在那里离子可能会丢失。再加上先进的高性能计算模拟，既可以模拟电磁波的频谱，也可以模拟与高能离子的相互作用，这些实验提供了对聚变等离子体中等离子体波和高能离子之间相互作用的最详细的了解。
这种改进的理解也使研究人员能够应用相空间工程，在这个过程中，他们根据预测的波和离子之间的理想相互作用来设计新的聚变等离子体场景。这些类型的相互作用发生在外太空。例如，电磁离子回旋波(EMIC)使电子在空间和能量中流动。
在某些情况下，电子被加速，导致卫星出现故障。通过聚变等离子体研究提高对波粒共振相互作用过程的理解有助于外太空等离子体的模拟，这可以提高未来卫星任务的可靠性。
引用:
“在托卡马克中远低于、接近和远高于alfv
本征模稳定阈值的等离子体中快速离子相空间流的可视化”，作者:杜晓东，W.W. Heidbrink, M.A. Van Zeeland, J. Gonzalez-Martin, M.E. Austin, Yan Z.和G.R. McKee, 2023年3月8日，核聚变。1741 - 4326 . DOI: 10.1088 / / acbec5
“用成像中性粒子分析仪测量alfv
本征模诱导的快速离子流的建模”，J. Gonzalez-Martin, Du X.D.， W.W. Heidbrink, M.A. Van Zeeland, K. S?rkim?ki, A. Snicker, X. Wang, Y. Todo, 2022年9月29日，核聚变。1741 - 4326 . DOI: 10.1088 / / ac7406
“alfv
不稳定性驱动的快速离子相空间流可视化”，作者:杜晓东，m.a. Van Zeeland, w.w. Heidbrink, J. Gonzalez-Martin, K. S?rkim?ki, A. Snicker, D. Lin, c.s. Collins, M. E. Austin, G. R. McKee, Yan Z.， Y. Todo和W. Wu, 2021年12月1日，物理评论快报。DOI: 10.1103 / PhysRevLett.127.235002
这项工作得到了美国能源部(DOE)科学办公室、聚变能源科学办公室的支持，使用了美国能源部科学办公室用户设施DIII-D国家聚变设施。
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