科学

产生聚变等离子体需要深刻理解氢的各种同位素的行为。这些同位素是聚变反应的燃料。但是等离子科学家早就对一个神秘的矛盾感到困惑。这个矛盾是理论预测和实验观察之间的脱节，即聚变能限制如何随用于为等离子体提供燃料的氢同位素质量的变化而变化。一项新的分析有助于揭开这个谜团。这项研究揭示了一种改进的理论模型，其中包括微小但重要的电子质量。

影响

未来的聚变反应堆将使用氢两种同位素氘和氚的50-50混合物。这些同位素将融合成氦原子并释放出大量能量。当前的聚变托卡马克仅使用氘，因为它比氚更容易获得和处理。为了使未来的反应堆成为可能，研究人员需要对氢气和氘-燃料的行为进行理论建模，而不仅仅是对氘燃料的行为进行理论建模。这些知识将帮助他们计划将反应堆从氘燃料转向氘-燃料。新的模型还将帮助聚变科学研究人员朝着更高效的未来聚变反应堆努力。

概括

氢的每个同位素仅由一个质子组成，但是这些同位素的原子所含中子数不同。多余的中子使同位素变得更重：氘的重量是普通氢的两倍，而氚的重量是普通氢的三倍。过去比较氘和氢等离子体的实验通常发现，随着氢同位素质量的增加，能量限制时间会增加。但是，尽管我们知道氘比氢更好地受到限制，但这一发现与预测实验结果相反的简单理论模型相矛盾。理论与实验之间的矛盾是一个长期存在的谜，被称为“同位素效应”。

科学家使用美国橡树岭国家实验室(Oak Ridge National Laboratory)能源部的Summit超级计算机(美国最强大的计算机)上的数值模拟，开发了一个新的理论框架，以描述电子在等离子湍流行为中的微妙作用，这些行为推动了热量的流失并导致热量的流失。降低托卡马克的禁闭。由于电子比氢离子轻1800倍以上，因此简单的缩放模型假定电子在能量约束中不起作用。新理论描述了小但有限的电子质量如何强烈影响离子行为，并且可以反对简单的比例公式。对于较轻的同位素(如氢)，电子的影响会变得更强，而较重的离子的质量会降低电子的影响。在聚变装置的等离子边缘区域，这些电子质量校正可以成为主要问题，并且可以使具有同位素质量的简单理论模型的比例向与实验结果一致的方向逆转，从而改善对较重氢同位素的限制。最后，这对于提高未来的聚变反应堆从氘燃料向氘-燃料的转化效率是有利的。

资金

这项工作是由能源部科学办公室，聚变能源科学办公室资助的。首脑会议所在的橡树岭领导力计算设施是美国能源部科学办公室的用户设施。