突破核聚变极限的新定律

核聚变是目前最有前景的未来能源之一。它的原理是将两个原子核合二为一，从而释放出巨大的能量。

事实上，核聚变离我们并不远，甚至可以说，我们完全离不开它，因为来自太阳的温暖就是由氢核聚变成更重的氦的过程创造的。这种反应过程在宇宙中几乎随处可见。

但科学家也正努力在地球上“复刻太阳”，制造出聚变过程。著名的ITER（国际热核聚变实验堆）国际核聚变大型研究项目正是其中之一，它的目标是创造出高温等离子体，为核聚变的发生提供合适的环境，并产生能量。

近日，一组物理学家团队又将这一目标向前推进了一步。他们从理论入手，修订了一则有关等离子体和聚变研究的基本定律。这次理论更新表明，我们实际上可以在聚变反应堆中安全地使用更多的氢燃料，从而获得比以前认为更多的能量。

  创造等离子体  

等离子体是一种类似气体的物质电离态，它由带正电的原子核和带负电的电子构成，密度比我们呼吸的空气还要低一百万倍。通过将聚变燃料，也就是氢原子，置于极高的温度下，迫使电子与原子核分离，从而制造出来。

简单来说，为了创造用于核聚变的等离子体，必须考虑三件事：高温、高密度的氢燃料，还有良好封闭性的环境。一种被称为托卡马克的“甜甜圈”环形结构正是绝佳的选择。

这是一种磁线圈环绕的甜甜圈形状的真空装置，它借助强大的磁场，将等离子体限制在数亿摄氏度的极高温状态下，甚至比太阳核心还要热，从而让氢原子之间发生核聚变反应。这种方法被广泛采用，目前全世界约有几十台投入使用的托卡马克。

ITER的托卡马克。（图／Alain Herzog, EPFL）

在托卡马克内部制造等离子体的限制之一是注入的氢燃料的量。早在核聚变研究的初期，科学家就已经发现，如果试图增加燃料密度，达到某一个程度时，就会出现所谓的“破坏”，换言之，系统基本上就失去了约束，等离子体就四散各处。

因此，到了20世纪80年代，科学家一直试图找到某种规律，从而预测可以放在托卡马克内注入的氢的密度极限。

  格林沃尔德极限  

1988年，这个棘手的问题有了答案。当时，核聚变科学家马丁·格林沃尔德（Martin Greenwald）发表了一则著名定律，将燃料密度与托卡马克的小半径（“甜甜圈”内环的半径）以及托卡马克内等离子体流动的电流联系在了一起。

自此，在过去30多年间，格林沃尔德极限一直是聚变研究的基础原则。事实上，ITER的托卡马克建造同样是基于这一规则，包括在规划未来的核聚变项目时，科学家也将它视为一种需要遵守的限制。

虽然，这一极限对研究和应用来说非常行之有效，但是，格林沃尔德是根据经验得出了这则定律，也就是说，它完全来自实验数据，而不是经过试验的理论，或者所谓的第一原理。

  重大更新  

在新研究中，团队设计了一项实验，可以借助极精密的技术，精确控制注入托卡马克的燃料量。这些大规模的实验在世界上多台托卡马克上进行。

同时，团队中的科学家开始分析限制托卡马克中密度的物理过程，推导能够将燃料密度和托卡马克尺寸联系起来的第一原理定律。研究还包括使用计算机模型对等离子体进行先进的模拟，这些模拟用到了世界上一些最大型的计算机。

通过模拟发现，在等离子体中加入更多的燃料时，部分燃料会从托卡马克温度较低的外层，也就是边界，移动回到其核心，因为等离子体变得更加湍动。等离子体在冷却时反而会变得更具抗性。因此，在相同的温度下，投入的燃料越多，它冷却的部分就越多，电流在等离子体中流动就越困难，最终可能导致破坏。

这对模拟来说是个挑战。流体中的湍流本身就是经典物理学中最重要的未解难题，而等离子体中的湍流更为复杂，因为还涉及电磁场。

但最终，团队成功推导出了托卡马克中燃料极限的新方程，它与实验结果非常吻合。新的理论在格林沃尔德极限的基础上，进一步发展出了重大的理论更新。

根据新方程的计算，就ITER的燃料而言，格林沃尔德极限可以提高近两倍。也就是说，像ITER这样的托卡马克，实际上可以用近两倍的燃料来产生等离子体，而不用担心破坏，从而释放出比之前认为的更丰富的聚变能。

对聚变研究来说，这自然是一则非常好的消息，它同样有机会为未来更多核聚变项目提供更准确的指导。