普林斯頓大學(xué)物理學(xué)家解開了加速聚變能源發(fā)展的難題

聚變通過結(jié)合等離子體形式的輕元素產(chǎn)生巨大的能量--等離子體是由自由電子和原子核或離子組成的高溫帶電氣體，占可見宇宙的99%。全球各地的科學(xué)家都在努力重現(xiàn)核聚變過程，以創(chuàng)造一個安全、清潔和豐富的發(fā)電動力源。

解決方程問題

研究人員在被稱為托卡馬克的圓環(huán)形裝置上開發(fā)核聚變的一個關(guān)鍵障礙是解決描述自由旋轉(zhuǎn)的電子在碰撞和反彈時的運動的方程式。模擬這種運動的標(biāo)準(zhǔn)方法，在技術(shù)上稱為俯仰角散射，由于方程的復(fù)雜性而被證明是不成功的。

"一套成功的計算規(guī)則或算法將解決這個方程，同時保存加速的粒子的能量。"普林斯頓等離子體物理項目的研究生、《計算物理學(xué)雜志》上一篇提出解決方案的論文的主要作者Fu yichen說："解決隨機微分方程可以得到散射電子可能采取的每一條路徑的概率。這種方程產(chǎn)生的模式可以進(jìn)行統(tǒng)計分析，但不能精確確定。"

"精確的解決方案描述了被散射的電子的軌跡。然而，軌跡是概率性的，我們不知道電子到底會去哪里，因為有許多可能的路徑，"Fu說。"但是通過解決軌跡，我們可以知道電子選擇每條路徑的概率，而知道這一點就可以進(jìn)行更精確的模擬，從而更好地控制等離子體。"

這一見解帶來的主要好處是改善了對核聚變研究人員的指導(dǎo)，他們將電流注入托卡馬克等離子體，以產(chǎn)生限制超熱氣體的磁場。另一個好處是更好地了解對聚變裝置構(gòu)成危險的高能失控電子的俯仰角散射。

"這一發(fā)現(xiàn)為解決復(fù)雜方程的第一個工作算法提供了一個嚴(yán)格的數(shù)學(xué)證明。"這給實驗者提供了一個更好的理論描述，以幫助他們設(shè)計他們的實驗，"首席研究物理學(xué)家、Fu的顧問和該論文的共同作者Hong Qin說。"以前，這個方程沒有有效的算法，物理學(xué)家通過改變方程來解決這個困難。"

報道的研究代表了PPPL最近成立的計算科學(xué)部（CSD）在算法和應(yīng)用數(shù)學(xué)方面的研究活動，并擴展了傅小平、秦和研究生Laura Xin Zhang（本文的共同作者）共同撰寫的一篇早期論文。雖然這項工作為跟蹤快速粒子創(chuàng)造了一種新的能量保護算法，但該方法沒有納入磁場，其數(shù)學(xué)準(zhǔn)確性也沒有得到嚴(yán)格的證明。