在核反應堆內發現幽靈般的「閃電」波

來自專欄博科園

一項新研究表明，通常由閃電產生的神秘、幽靈般的「惠斯勒波」可以保護核反應堆不受失控電子的影響。這些惠斯勒波自然在電離層的地面上找到，在地球表面的上空約有50到600英里(合80 000公里)。當閃電產生的電磁波在南北半球之間傳播時，這些幽靈般的哨聲就形成了。這些波在穿過地球時發生頻率變化，當信號由光轉換成音頻頻率時，它們聽起來像口哨。據發表在《物理評論快報》雜誌上的一項最新研究表明，現在這些「whistler」波已經在一個托卡馬克的熱等離子體中被發現了。由於吹口哨者可以散射和阻礙高速電子，它們可以提供一種新的方法來防止失控的電子損壞托卡馬克內部。

在托卡馬克(tokamak)內的聚變能的概念圖，一個為聚變能產生等離子體的甜甜圈形狀的機器。一篇新論文發現，通常在電離層中發現的惠斯勒波在一個核聚變反應堆內。圖片：Shutterstock

核聚變能量

在核聚變反應中，太陽和恆星的能量，原子相互撞擊，在釋放能量時聚變形成更大的原子。幾十年來，研究人員一直在試圖利用地球上的聚變能，利用tokamaks內部強大的磁場，將熱等離子體包裹成環形的環狀雲，這是一個由帶電氣體組成的奇怪的物質階段。在托卡馬克內部，電場能更快、更快地推進電子。但是當這些高速電子穿過等離子體時，它們不能減速。通常情況下，物體在氣體或液體中運動時，會感覺到阻力隨速度增加。例如開車越快，風阻力就越大。但在等離子體中，阻力隨速度降低，使得電子加速到接近光速，破壞了托卡馬克。

田納西橡樹嶺國家實驗室(Oak Ridge National Laboratory)的物理學家、這項新研究的合著者唐·斯潘(Don Spong)說，研究人員已經有一些技術來減輕跑步方式。他們可以使用人工智慧演算法來監測和調整等離子體的密度，以防止電子加速過快。如果仍有跑道的話，他們可以向等離子體中注入冰凍的霓虹燈，從而增加等離子體密度，減緩失控的電子。Spong說：但惠斯勒波可能是另一種控制失控電子的方法，理想的做法是避免混亂和逃跑，但如果出現這種情況，希望有多種可用的工具來處理它們。

停止運行

在聖地亞哥DIII-D國家聚變設施的托卡馬克，Spong的研究團隊首次發現了由逃逸的電子產生的惠斯勒波。等離子體就像一件具有多種振動模式的果凍。如果一些失控的電子有正確的速度，它們會激活其中的一種模式，並觸發惠斯勒波——類似於以正確的速度駕駛一輛舊車，會導致儀錶板振動。Spong說：我們想做的是逆向工程，把這些波放在(等離子體)外面，分散跑路。通過更好地了解runaways是如何產生嘯聲的，研究人員希望他們能夠逆轉這一過程——使用外部天線來產生能散射電子的嘯聲，並阻止它們飛得太快。

Spong說，研究人員還需要進一步研究runaways和whistler之間的關係，例如通過確定哪種頻率和波長最有效地抑制runaways，以及研究聚變反應堆所需的緻密等離子體中發生了什麼。當然，抑制失控的電子只是從核聚變中創造清潔能源的一個障礙。現在，聚變反應堆需要比核聚變產生的更多的能量來加熱等離子體。為了達到收支平衡，研究人員還必須弄清楚如何使等離子體保持熱度而不需要加熱。但Spong對聚變能持樂觀態度，我相信這是可以實現的。

2025年，法國南部的ITER項目將開始實驗。科學家們希望這將是第一台能產生比用於加熱等離子體更多能量的聚變機器。有幾家集團已將目光投向了到2050年實現凈積極聚變能源的目標。麻省理工學院和一家名為「聯邦融合系統」的公司之間的新合作宣布，合作夥伴希望在15年內將核能融合到電網中。

博科園-科學科普｜文：Marcus Woo/Live Science

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