科学家们如何制造核聚变——为太阳和恒星提供能量的能量——来生产清洁能源?
几十年来，核聚变研究人员主要集中在托卡马克上，它使用一个对称的、甜甜圈形状的场来容纳产生能量的燃料。但是，由普林斯顿大学的莱曼·斯皮策在20世纪50年代发明的一种磁性实验装置——扭曲的恒星星也有希望——现在离实现更近了。
伊丽莎白·保罗
2015年普林斯顿大学校友、美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)普林斯顿大学校长博士后研究员伊丽莎白·保罗(Elizabeth Paul)在扭转星方面取得了新的突破。
问题是，与托卡马克的甜甜圈型磁场相比，它们扭曲的磁场在限制离子和电子路径方面效果较差，浪费了大量将离子聚集在一起以释放聚变能所需的极端热量。此外，产生恒星场的复杂线圈很难设计和建造。
保罗的工作展示了如何更精确地塑造恒星内部的外围磁场，创造出一种前所未有的将聚变燃料凝聚在一起的能力。
“关键是开发一款软件，让你可以快速尝试新的设计方法，”保罗说，他是一篇新论文的合著者，该论文详细介绍了这项发现，发表在《物理评论快报》上。由保罗和马里兰大学的马特·兰德曼(Matt Landreman)领导的研究成果可能会提高恒星收集核聚变的能力，从而为人类提供安全、无碳的电力。
核聚变通过将轻元素以等离子体的形式结合在一起，在整个宇宙中产生巨大的能量。等离子体是由自由电子和原子核组成的热的、带电的物质状态，它们构成了可见宇宙的99%。
恒星望远镜可以产生实验室版本的聚变，而不会出现更广泛使用的托卡马克聚变设施有时会面临的中断。目前的突破在恒星中产生了所谓的“准对称”，几乎与托卡马克对称场的限制能力相匹配。尽管科学家们长期以来一直试图在扭转恒星中产生准对称，但这项新研究开发了一种几乎精确地创造准对称的技巧。这个方法使用了新的开源软件SIMSOPT (Simons Optimization Suite)，该软件通过缓慢地细化等离子体边界的模拟形状来优化恒星，从而标记出磁场。
Landreman说:“这种新软件的自动化和快速试验能力使这些配置成为可能。”
几十年来，核聚变研究人员主要关注托卡马克(左图)，而扭曲星(右图)主要仍处于实验阶段。在这些图像中，橙色曲线代表电磁线圈，内部表面的颜色代表磁场强度。如今，普林斯顿大学2015届校友、美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)博士后研究员伊丽莎白·保罗(Elizabeth Paul)，通过开发软件，使她能够快速测试新的设计方法，在扭曲恒星方面取得了突破。这使得聚变科学家能够更精确地塑造恒星周围的磁场，创造出一种前所未有的将聚变燃料凝聚在一起的能力。
他说，科学家们还可以将这些发现应用到天体物理问题的研究中。在德国，一个团队正在开发一种准对称星，以限制和研究诸如在太空中发现的反物质粒子。Landreman说:“这和核聚变面临同样的挑战。”“你只需要确保粒子受到限制。”
除了这本新出版的书，保罗的作品今年也广受好评。她曾因在马里兰大学的论文获得美国物理学会竞争激烈的2021年马歇尔·n·罗森布鲁斯杰出博士论文奖，兰德曼是该大学的顾问。她现在与PPPL的研究生理查德·奈斯(Richard Nies)合作，奈斯最近发表了一篇论文，运用她在马里兰的论文中开发的数学工具来加速准对称的产生。
监督保罗在普林斯顿大学的工作的是阿米塔瓦·巴塔查尔吉，他是普林斯顿大学的天体物理学教授，同时监督由纽约西蒙斯基金会资助的“隐藏对称性和核聚变能量”项目，该项目资助了PRL的论文。Matt和Elizabeth的工作巧妙地利用了近年来在恒星优化方面发展起来的数学和计算工具，并毫无疑问地证明了我们可以以前所未有的精度设计准对称恒星磁场。这是计算设计的一大胜利。”
Stellarator在Simons项目上的工作与PPPL的研究并行，以开发该实验室大约70年前发明的有前途的设备。这种发展将结合恒星和托卡马克的最佳特性，设计出一种具有强等离子体限制的无干扰设施，从而产生一种几乎无限的聚变能源。
在PPPL网站上阅读完整的故事。