美科學家推導出核聚變“熱密度界限”方程

托卡馬克核聚變環裝置

　　長期以來，有一神奇的現象導致研究人員無法實現可控自持續核聚變反應。然而，最近美國物理學家表示，他們可能找到了解決該謎團的途徑。研究人員認為，如果新提出的解決方式被實驗驗證是正確的話，那么將幫助人們消除核聚變發展的一個主要障礙，使核聚變成為清潔且豐富的電力來源。

　　美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家在一項深入分析中，將目標鎖定于核聚變實驗中高溫帶電氣體——等離子體內那些微小的、如同氣泡的、被稱為島嶼的區域。這些島嶼含有能讓等離子體降溫的雜質。科學家認為，正是這些島嶼構成了人們熟悉的“熱密度界限”問題的基礎，它阻礙了核聚變反應堆最高效運行。

　　當等離子體的溫度和密度足夠高時，包含在其中的原子核結合并釋放出能量，形成了人們所說的核聚變。然而，在托卡馬克環實驗反應堆中的等離子體達到神秘的“熱密度界限”時，等離子體能旋轉形成閃光，溫度下降。

　　科學家認為，等離子體中出現眾多島嶼帶來了雙重破壞。除了導致等離子體溫度下降外，這些島嶼還如同防護罩那樣阻止更多的能量來加熱島嶼內的等離子體。當從島嶼中溢出的能量超過人們能夠通過歐姆加熱過程為等離子體添加的能量時，平衡被打破。當島嶼生長到足夠大時，用于幫助加熱和束縛等離子體加熱的電流出現崩潰，等離子體四散開來。

　　大衛·蓋茨是美國能源部普林斯頓等離子體物理實驗室的物理學家，他和實驗室博士后研究員、來自麻省理工學院等離子體科學核聚變中心的訪問學者路易斯·德爾嘎多-阿帕瑞奇歐共同提出了解決核聚變“熱密度界限”問題的方案。蓋茨表示，令人不解的是為何給等離子體增加更多的熱能卻仍然無法讓其達到更高的熱密度，這點十分關鍵，因為熱密度是實現核聚變的重要參數。

　　蓋茨稱他們偶然發現的理論為“10分鐘‘啊哈’時刻”。通過將注意力放在等離子體中的島嶼和帶走能量的雜質，他們在辦公室白板上推算出了對應的方程式。雜質源于等離子體沖擊托卡馬克環壁時產生的粒子。德爾嘎多-阿帕瑞奇歐表示，當等離子體的密度達到神秘的“熱密度界限”時，等離子體中便出現了眾多含有雜質的島嶼并發生瓦解。

　　麻省理工學院物理學家馬丁·格林沃德推導出描述“熱密度界限”的方程，因而“熱密度界限”也稱“格林沃德界限”。對出現“熱密度界限”的原因，格林沃德有著自己的解釋，他認為，當湍流出現能引起等離子體邊緣冷卻并將過多離子擠壓進等離子體核心狹小空間的起伏時，就會出現“熱密度界限”，導致電流不穩定和崩潰。他表示，有相當多的證據能夠驗證他的觀點，但同時他承認其觀點也有不足之處，并歡迎新的思想。蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐提出的理論代表著試圖解決“熱密度界限”的新途徑。

　　蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐將過去數十年中人們掌握的線索整合起來建立了他們的研究模型。蓋茨本人是1993年在位于英國阿賓頓的卡爾漢姆核聚變能源中心做博士后研究時首次聽說“熱密度界限”的。早期，“熱密度界限”曾以卡爾漢姆核聚變能源中心科學家簡·胡吉爾命名，胡吉爾向蓋茨詳細地介紹了“熱密度界限”。

　　對于等離子體島嶼問題，科學家曾單獨地發表了論文。上世紀80年代中期，法國物理學家保羅-亨利·芮布特在一次會議上介紹了輻射形成的島嶼，但是沒有刊登在雜志上。大約10年后，德國物理學家沃爾夫岡·蘇特偌普推測島嶼與“熱密度界限”相關。蓋茨表示，蘇特偌普雖然沒有將等離子體島嶼直接與“熱密度界限”聯系起來，但是他的研究文章事實上啟發了自己的研究。1996年，蓋茨與蘇特偌普同在德國馬普等離子體物理研究所從事過托卡馬克實驗，轉年才進入普林斯頓等離子體物理實驗室工作。

　　2011年初，關于等離子體島嶼問題幾乎從蓋茨腦海中消失。然而，與德爾嘎多-阿帕瑞奇歐進行的一次涉及Alcator C-Mod托卡馬克中等離子體發生島嶼的交談，重新點燃了他對該問題的興趣。德爾嘎多-阿帕瑞奇歐提到普林斯頓等離子體物理實驗室的科學家在上世紀80年代首次觀察到等離子體中出現螺絲錐形狀氣團的現象，德國物理學家亞瑟·韋勒為報告此現象的第一人。

　　在交談后，蓋茨讓德爾嘎多-阿帕瑞奇歐查閱芮布特和蘇特偌普的文章。8個月后，德爾嘎多-阿帕瑞奇歐給蓋茨發送了一份電子郵件，闡述了螺絲錐形狀氣團的行為。最讓蓋茨感到激動的是暗示著“熱密度界限”的島嶼生長方程，它是對英國物理學家保羅·盧瑟福基于上世紀80年代相關研究推導出的方程式進行修改而來。蓋茨認為，如果蘇特偌普對島嶼的認識是準確的，那么這個方程應該描述的是“熱密度界限”。

　　蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐在辦公室中進行演算時發現，他們并不需要整個方程式，僅僅將重點集中在等離子體電子密度和島嶼熱輻射，便推導出描述熱損耗超過電子密度的方程式。這轉而幫助他們尋找到了有望是隱藏在“熱密度界限”背后的機理。

　　在談及科學家過去為何沒能獲得類似的熱密度界限理論時，蓋茨認為，答案在于相關的研究思想滲透或傳播至科學界的過程。熱輻射形成島嶼的觀點從沒有公開得到大量的報道，人們僅僅視其為有趣的觀點。人們通常通過出版物傳播信息，然而“熱密度界限”的理念最初沒有傳播開來。

　　蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐希望能夠在麻省理工學院名為Alcator C-Mod的托卡馬克核聚變環裝置以及圣地亞哥通用原子公司的DⅢ-D托卡馬克環上，通過實驗驗證他們的理論。其中的目標之一是他們打算了解能否通過直接向等離子體的島嶼注入能量讓其具有更高的密度。如果能夠提高密度，那么未來的托卡馬克環就能達到極高的熱密度，實現核聚變所需的1億攝氏度的溫度。

　　征服“熱密度界限”難題將為未來托卡馬克環裝置實現自持續核聚變反應發電提供改進的途徑，這其中包括取代國際熱核實驗反應堆（ITER）的核聚變裝置。國際熱核實驗反應堆由歐共體、美國及其他5個國家共同支持建造，其造價達200億美元。