瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院（EPFL）的物理學(xué)家們?cè)谝粋€(gè)大型的歐洲合作項(xiàng)目中修訂了一個(gè)基本定律，該定律在過(guò)去三十多年里一直是等離子體和聚變研究的基礎(chǔ)，甚至支配著ITER等大型項(xiàng)目的設(shè)計(jì)。該更新表明，人們實(shí)際上可以在聚變反應(yīng)堆中安全地利用更多的氫燃料，從而獲得比以前認(rèn)為更多的能量。
核聚變是最有前景的未來(lái)能源之一。它涉及兩個(gè)原子核合并成一個(gè)，從而釋放出巨大的能量。事實(shí)上，我們每天都在經(jīng)歷核聚變：太陽(yáng)的溫暖來(lái)自于氫核融合成更重的氦原子。
目前有一個(gè)名為ITER的國(guó)際核聚變研究大型項(xiàng)目，試圖復(fù)制太陽(yáng)的核聚變過(guò)程，在地球上創(chuàng)造能量。其目標(biāo)是產(chǎn)生高溫等離子體，為核聚變的發(fā)生提供合適的環(huán)境，產(chǎn)生能量。
等離子體--一種類似于氣體的物質(zhì)電離狀態(tài)--由帶正電的原子核和帶負(fù)電的電子組成，其密度幾乎是我們呼吸的空氣的百萬(wàn)分之一。質(zhì)子是通過(guò)將“核聚變?nèi)剂稀?-氫原子--置于極高的溫度下（是太陽(yáng)核心溫度的10倍），迫使電子與原子核分離而產(chǎn)生的。在核聚變反應(yīng)堆中，這一過(guò)程發(fā)生在一個(gè)被稱為“托卡馬克”的甜甜圈狀（“環(huán)形”）結(jié)構(gòu)中。
瑞士等離子體中心的Paolo Ricci說(shuō)：“為了創(chuàng)造用于核聚變的等離子體，你必須考慮三件事：高溫、高密度的氫燃料和良好的封閉性，”該中心是位于EPFL的世界領(lǐng)先的核聚變研究機(jī)構(gòu)之一。
在一個(gè)大型的歐洲合作項(xiàng)目中，Ricci的團(tuán)隊(duì)現(xiàn)在發(fā)布了一項(xiàng)研究，更新了等離子體生成的一個(gè)基本原則--并表明即將到來(lái)的ITER托卡馬克實(shí)際上可以用兩倍的氫氣量運(yùn)行，從而產(chǎn)生比以前想象的更多的聚變能量。
“在托卡馬克內(nèi)制造等離子體的限制之一是你能注入的氫燃料的數(shù)量，”Ricci說(shuō)?！皬暮司圩兊脑缙陂_始，我們就知道，如果你試圖增加燃料密度，在某些時(shí)候就會(huì)出現(xiàn)我們所說(shuō)的'破壞’--基本上你完全失去了約束，等離子體就會(huì)到處亂跑。因此，在80年代，人們?cè)噲D想出某種規(guī)律，可以預(yù)測(cè)你可以放在托卡馬克內(nèi)的最大氫氣密度?！?/p>
1988年科學(xué)家有了答案，當(dāng)時(shí)核聚變科學(xué)家Martin Greenwald 發(fā)表了一個(gè)著名的定律，該定律將燃料密度與托卡馬克的小半徑（“甜甜圈”內(nèi)圓的半徑）以及托卡馬克內(nèi)的等離子體流動(dòng)的電流聯(lián)系起來(lái)。從那時(shí)起，“Greenwald limit”就一直是聚變研究的基礎(chǔ)原則；事實(shí)上，ITER的托卡馬克建設(shè)戰(zhàn)略就是基于此。
“Greenwald根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得出了這個(gè)定律，即完全來(lái)自于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)--不是經(jīng)過(guò)檢驗(yàn)的理論，或我們稱之為'第一原理’，”Ricci解釋說(shuō)?！安贿^(guò)，這個(gè)極限對(duì)研究來(lái)說(shuō)還是很有效的。而且，在某些情況下，像DEMO（國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆的繼任者），這個(gè)方程對(duì)他們的運(yùn)行構(gòu)成了一個(gè)很大的限制，因?yàn)樗f(shuō)你不能把燃料密度提高到某一水平以上?！?/p>
瑞士等離子體中心與其他托卡馬克團(tuán)隊(duì)合作，設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，可以使用高度復(fù)雜的技術(shù)來(lái)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)是在世界最大的托卡馬克、歐洲聯(lián)合環(huán)流器（JET）以及德國(guó)的ASDEX升級(jí)版（馬克斯-普朗克研究所）和EPFL自己的TCV托卡馬克進(jìn)行的。這一大規(guī)模的實(shí)驗(yàn)努力是由歐洲核聚變聯(lián)盟促成的，該聯(lián)盟是協(xié)調(diào)歐洲核聚變研究的歐洲組織，EPFL現(xiàn)在通過(guò)德國(guó)馬克斯-普朗克等離子體物理研究所參加了該聯(lián)盟。
同時(shí)，Ricci小組的博士生Maurizio Giacomin開始分析限制托卡馬克密度的物理過(guò)程，以便推導(dǎo)出能夠?qū)⑷剂厦芏群屯锌R克尺寸聯(lián)系起來(lái)的第一原理法。不過(guò)，其中一部分涉及使用計(jì)算機(jī)模型進(jìn)行的等離子體的高級(jí)模擬。
“這些模擬利用了世界上一些最大的計(jì)算機(jī)，例如由CSCS、瑞士國(guó)家超級(jí)計(jì)算中心和EUROfusion提供的那些計(jì)算機(jī)，”Ricci說(shuō)?！拔覀兺ㄟ^(guò)模擬發(fā)現(xiàn)，當(dāng)你在等離子體中加入更多的燃料時(shí)，部分燃料會(huì)從托卡馬克的外部冷層，即邊界，移回其核心，因?yàn)榈入x子體變得更加湍急。然后，與電銅線不同，電銅線在受熱時(shí)變得更有抵抗力，等離子體在冷卻時(shí)變得更有抵抗力。因此，在相同的溫度下，你投入的燃料越多，它冷卻的部分就越多--電流在等離子體中流動(dòng)就越困難，可能導(dǎo)致破壞?！?/p>
這對(duì)模擬來(lái)說(shuō)是個(gè)挑戰(zhàn)?！傲黧w中的湍流實(shí)際上是經(jīng)典物理學(xué)中最重要的公開問(wèn)題，”Ricci說(shuō)?！暗堑入x子體中的湍流更加復(fù)雜，因?yàn)槟氵€有電磁場(chǎng)?！?/p>
最后，Ricci和他的同事們能夠破解密碼，并推導(dǎo)出一個(gè)關(guān)于托卡馬克中燃料極限的新方程，該方程與實(shí)驗(yàn)非常吻合。有關(guān)該方程的研究于2022年5月6日發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上，它通過(guò)接近Greenwald極限，對(duì)其進(jìn)行了公正的評(píng)價(jià)，但又對(duì)其進(jìn)行了重大更新。
新方程認(rèn)為，就ITER的燃料而言，“Greenwald limit”可以提高近兩倍；這意味著像ITER這樣的托卡馬克實(shí)際上可以使用近兩倍的燃料來(lái)產(chǎn)生等離子體而不用擔(dān)心中斷?！斑@很重要，因?yàn)樗砻?，你在托卡馬克中能夠達(dá)到的密度隨著你運(yùn)行它所需要的功率而增加，”Ricci說(shuō)?！皩?shí)際上，DEMO將在比目前的托卡馬克和ITER高得多的功率下運(yùn)行，這意味著你可以增加更多的燃料密度而不限制輸出，這與Greenwald定律相反。而這是非常好的消息?！?/p>
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