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核聚變是目前最有前景的未來(lái)能源之一。它的原理是將兩個(gè)原子核合二為一，從而釋放出巨大的能量。

事實(shí)上，核聚變離我們并不遠(yuǎn)，甚至可以說(shuō)，我們完全離不開(kāi)它，因?yàn)閬?lái)自太陽(yáng)的溫暖就是由氫核聚變成更重的氦的過(guò)程創(chuàng)造的。這種反應(yīng)過(guò)程在宇宙中幾乎隨處可見(jiàn)。

但科學(xué)家也正努力在地球上“復(fù)刻太陽(yáng)”，制造出聚變過(guò)程。著名的ITER（國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆）國(guó)際核聚變大型研究項(xiàng)目正是其中之一，它的目標(biāo)是創(chuàng)造出高溫等離子體，為核聚變的發(fā)生提供合適的環(huán)境，并產(chǎn)生能量。

近日，一組物理學(xué)家團(tuán)隊(duì)又將這一目標(biāo)向前推進(jìn)了一步。他們從理論入手，修訂了一則有關(guān)等離子體和聚變研究的基本定律。這次理論更新表明，我們實(shí)際上可以在聚變反應(yīng)堆中安全地使用更多的氫燃料，從而獲得比以前認(rèn)為更多的能量。

  創(chuàng)造等離子體  

等離子體是一種類(lèi)似氣體的物質(zhì)電離態(tài)，它由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子構(gòu)成，密度比我們呼吸的空氣還要低一百萬(wàn)倍。通過(guò)將聚變?nèi)剂?，也就是氫原子，置于極高的溫度下，迫使電子與原子核分離，從而制造出來(lái)。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，為了創(chuàng)造用于核聚變的等離子體，必須考慮三件事：高溫、高密度的氫燃料，還有良好封閉性的環(huán)境。一種被稱(chēng)為托卡馬克的“甜甜圈”環(huán)形結(jié)構(gòu)正是絕佳的選擇。

這是一種磁線圈環(huán)繞的甜甜圈形狀的真空裝置，它借助強(qiáng)大的磁場(chǎng)，將等離子體限制在數(shù)億攝氏度的極高溫狀態(tài)下，甚至比太陽(yáng)核心還要熱，從而讓氫原子之間發(fā)生核聚變反應(yīng)。這種方法被廣泛采用，目前全世界約有幾十臺(tái)投入使用的托卡馬克。

ITER的托卡馬克。（圖／Alain Herzog, EPFL）

在托卡馬克內(nèi)部制造等離子體的限制之一是注入的氫燃料的量。早在核聚變研究的初期，科學(xué)家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果試圖增加燃料密度，達(dá)到某一個(gè)程度時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)所謂的“破壞”，換言之，系統(tǒng)基本上就失去了約束，等離子體就四散各處。

因此，到了20世紀(jì)80年代，科學(xué)家一直試圖找到某種規(guī)律，從而預(yù)測(cè)可以放在托卡馬克內(nèi)注入的氫的密度極限。

  格林沃爾德極限  

1988年，這個(gè)棘手的問(wèn)題有了答案。當(dāng)時(shí)，核聚變科學(xué)家馬丁·格林沃爾德（Martin Greenwald）發(fā)表了一則著名定律，將燃料密度與托卡馬克的小半徑（“甜甜圈”內(nèi)環(huán)的半徑）以及托卡馬克內(nèi)等離子體流動(dòng)的電流聯(lián)系在了一起。

自此，在過(guò)去30多年間，格林沃爾德極限一直是聚變研究的基礎(chǔ)原則。事實(shí)上，ITER的托卡馬克建造同樣是基于這一規(guī)則，包括在規(guī)劃未來(lái)的核聚變項(xiàng)目時(shí)，科學(xué)家也將它視為一種需要遵守的限制。

雖然，這一極限對(duì)研究和應(yīng)用來(lái)說(shuō)非常行之有效，但是，格林沃爾德是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出了這則定律，也就是說(shuō)，它完全來(lái)自實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，而不是經(jīng)過(guò)試驗(yàn)的理論，或者所謂的第一原理。

  重大更新  

在新研究中，團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，可以借助極精密的技術(shù)，精確控制注入托卡馬克的燃料量。這些大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)在世界上多臺(tái)托卡馬克上進(jìn)行。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)中的科學(xué)家開(kāi)始分析限制托卡馬克中密度的物理過(guò)程，推導(dǎo)能夠?qū)⑷剂厦芏群屯锌R克尺寸聯(lián)系起來(lái)的第一原理定律。研究還包括使用計(jì)算機(jī)模型對(duì)等離子體進(jìn)行先進(jìn)的模擬，這些模擬用到了世界上一些最大型的計(jì)算機(jī)。

通過(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，在等離子體中加入更多的燃料時(shí)，部分燃料會(huì)從托卡馬克溫度較低的外層，也就是邊界，移動(dòng)回到其核心，因?yàn)榈入x子體變得更加湍動(dòng)。等離子體在冷卻時(shí)反而會(huì)變得更具抗性。因此，在相同的溫度下，投入的燃料越多，它冷卻的部分就越多，電流在等離子體中流動(dòng)就越困難，最終可能導(dǎo)致破壞。

這對(duì)模擬來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)。流體中的湍流本身就是經(jīng)典物理學(xué)中最重要的未解難題，而等離子體中的湍流更為復(fù)雜，因?yàn)檫€涉及電磁場(chǎng)。

但最終，團(tuán)隊(duì)成功推導(dǎo)出了托卡馬克中燃料極限的新方程，它與實(shí)驗(yàn)結(jié)果非常吻合。新的理論在格林沃爾德極限的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展出了重大的理論更新。

根據(jù)新方程的計(jì)算，就ITER的燃料而言，格林沃爾德極限可以提高近兩倍。也就是說(shuō)，像ITER這樣的托卡馬克，實(shí)際上可以用近兩倍的燃料來(lái)產(chǎn)生等離子體，而不用擔(dān)心破壞，從而釋放出比之前認(rèn)為的更豐富的聚變能。

對(duì)聚變研究來(lái)說(shuō)，這自然是一則非常好的消息，它同樣有機(jī)會(huì)為未來(lái)更多核聚變項(xiàng)目提供更準(zhǔn)確的指導(dǎo)。