通过增进对快速等离子体粒子的了解来推进聚变能

激发燃料聚变反应的带电等离子体粒子的曲折跳动可以帮助在地球上利用为太阳和恒星提供动力的聚变能。在美国能源部(DOE)的普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)中，一位实验学家和两名理论家开发了一种新算法或一套计算机规则，用于跟踪挥发性颗粒，这些颗粒可以促进安全，清洁和几乎无限的到达能量之源。

紧密互动

PPPL的首席理论物理学家洪勤说：“这是一个成功的故事，讲述了理论家和实验家之间的紧密互动，显示了可以做的事情。” 他和一尘福，理论研究生，他建议的人，合作的算法与劳拉张馨予，实验的研究生和论文，报告在杂志上的研究的主要作者物理Review电子。秦和傅是该论文的合著者。

聚变通过将以等离子体形式存在的光元素结合在一起，从而为太阳和星星供电，等离子体是由自由电子和原子核或离子组成的物质状态，占可见宇宙的99%，并释放出大量能量。世界各地的科学家都在寻求在地球上产生受控聚变，作为理想的发电来源。

新的PPPL算法有助于跟踪等离子体中的快速带电粒子。粒子例如可以源自高能中性束的注入，该高能中性束在等离子体中被分解或“电离”并与主要等离子体粒子碰撞。张说：“我们关心这一点，因为我们想了解这些快速粒子如何影响等离子体。”

当分解成快速的等离子体粒子时，中性束起着许多作用。张说：“我们用它们来做各种各样的事情。” “它们可以加热并驱动等离子体中的电流。有时它们会产生等离子体不稳定性，有时会降低等离子体不稳定性。我们的模拟都是理解这些粒子的行为的一部分。”

首先是问题

当张刚尝试模拟快速粒子时，她遇到了一个问题。她使用了经典算法，该算法在所谓的粒子碰撞的俯仰角散射过程中未能节省能量。当电子与离子碰撞时，通常会在聚变等离子体中观察到这种散射，而离子的碰撞力大约是从篮球弹起的乒乓球的碰撞力的2000倍。

她回忆说，对于张来说，这个问题“类似于试图模拟一个行星的轨道。” 她说，就像轨道的能量不变一样，“您需要一种算法来保存散射的等离子体粒子的能量。”

秦说，节约能源至关重要。他说：“如果模拟过程的算法不能节省粒子的能量，那么模拟就不能被信任。” 因此，他设计了另一种方法，即一种可显着解决的算法，该算法可节省粒子的能量，Zhang继续尝试。

她说：“我本质上是一名实验主义者，解决问题的方法就是尝试。” “因此，我进行了大量模拟，并进行了各种数值实验，结果表明该算法比无法节省能量的经典算法效果更好。” 但是，该替代方法无法在理论上得到证明。

秦接着将问题交给了研究生傅，研究生傅对算法的正确性进行了巧妙的数学证明，这可能会成为进一步解决方案的一步。

张说：“我们开发的算法用于简化模型。” “它删除了几个必须包含的重要术语。但是我正在向前冲锋，旨在将我们开发的算法应用于新的等离子体物理问题。”

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