模擬顯示了通過等離子體振蕩對聚變能量的離子加熱

一個由聚變科學(xué)家組成的研究小組成功地證明了離子可以被高能粒子驅(qū)動的等離子體振蕩加熱。這已通過使用新開發(fā)的混合模擬程序進(jìn)行大規(guī)模模擬得到證實，該程序?qū)⒌入x子體振蕩，高能粒子和離子的計算聯(lián)系起來。該研究將加速等離子體自熱的研究，以實現(xiàn)聚變能。

所述融合在高溫等離子體氘離子和氚離子之間的反應(yīng)將在未來聚變反應(yīng)堆一起使用。由聚變反應(yīng)產(chǎn)生的高能α粒子將其能量提供給等離子體，并且該等離子體自加熱保持了聚變反應(yīng)所需的高溫條件。然而，我們存在的問題是燃料離子的加熱很弱，因為高能粒子通過與電子的碰撞將大部分能量提供給電子。為了提高離子加熱速率，建議通過由高能粒子驅(qū)動的等離子體振蕩來加熱離子。但是，這種離子加熱機(jī)制尚未得到證實。

自然科學(xué)研究院(NINS)融合科學(xué)研究所(NIFS)助理教授王浩和Yasushi Todo教授的研究小組利用計算機(jī)模擬研究了等離子體振蕩的離子加熱。

Todo教授之前開發(fā)了一種計算機(jī)程序，可以同時模擬整個等離子體的狀態(tài)，它被視為流體，以及等離子體中高能粒子的運動。該程序，因為它鏈接和計算流體和粒子，被稱為混合模擬程序。它使我們能夠研究等離子體振蕩和高能粒子之間的相互作用。該計劃在融合科學(xué)家中得到高度評價，目前正在進(jìn)行一些使用該計劃的模擬研究。

然而，為了研究由高能粒子驅(qū)動的等離子體振蕩的離子加熱，有必要擴(kuò)展混合模擬程序以模擬受等離子體振蕩影響的離子運動。研究小組成功開發(fā)了一種新的混合模擬程序，通過計算等離子體中的離子作為粒子，并將等離子體振蕩，高能粒子和離子的三種計算聯(lián)系起來。使用新的混合仿真程序，他們在超級計算機(jī)上對大型螺旋裝置(LHD)中產(chǎn)生的等離子體進(jìn)行了大規(guī)模模擬。(在LHD上，我們利用等離子體內(nèi)的高能氫粒子來研究由高能粒子驅(qū)動的等離子體振蕩。)新的混合模擬清楚地表明，離子從高能粒子激發(fā)的等離子體振蕩中獲得能量。這表明通過使用等離子體振蕩可以增加自加熱等離子體中的離子加熱速率。

因此，研究團(tuán)隊首次通過等離子體振蕩證明了離子加熱。在此研究結(jié)果的基礎(chǔ)上，加快了實現(xiàn)聚變能的自熱等離子體的研究。

該研究結(jié)果發(fā)表于Wang等人。“ 2019年8月在核聚變中模擬高能粒子驅(qū)動的測地聲學(xué)模式和大型螺旋裝置等離子體中的能量通道” 。