呈甜甜圈形狀的托卡馬克式核聚變爐內(nèi)部，以懸浮的火焰示意參與核聚變的離子體。(Shutterstock)

一個(gè)歐洲研究組從試驗(yàn)和理論分析同時(shí)證明了利用核聚變爐進(jìn)行安全反應(yīng)能夠加入的氫核燃料的上限，達(dá)到以前認(rèn)知的近兩倍。這意味著將來(lái)核聚變?cè)O(shè)施的產(chǎn)能也比以前理論認(rèn)為的高得多。

核聚變反應(yīng)可以捕獲在兩個(gè)原子核合并過(guò)程中所釋放的巨大能量。太陽(yáng)內(nèi)部每天都在進(jìn)行這種反應(yīng)——把較輕的氫原子核聚合成氦原子，為地球提供巨大的能量。

普通的氫原子由帶正電原子核與帶負(fù)電的電子組成，達(dá)到一個(gè)電荷平衡的狀態(tài)。要使原子核與電子分離以創(chuàng)造原子核聚合的環(huán)境，必須有一定的條件，比如需要像太陽(yáng)內(nèi)部那樣的高溫?，F(xiàn)在普遍使用的托卡馬克(Tokamak)核聚變爐就是一種能創(chuàng)造這種環(huán)境的，像甜甜圈形狀的設(shè)備。

托卡馬克爐創(chuàng)造可達(dá)太陽(yáng)內(nèi)部溫度十倍的高溫環(huán)境，促使帶正電的原子核與帶負(fù)電的電子分離，形成電離狀態(tài)的等離子體。等離子體是物質(zhì)的形態(tài)之一，類似氣體，密度大約只有人們所呼吸的空氣的百萬(wàn)分之一。

研究者之一瑞士等離子體中心(Swiss Plasma Center)的保羅·里奇(Paolo Ricci)說(shuō)：“為了造出用于核聚變的等離子體，要考慮三個(gè)條件：高溫、高密度氫燃料和良好的控制?！?/p>

所謂高密度氫燃料指的是，注入的氫燃料越多，聚合產(chǎn)出的能量越大，但是各種條件之間存在一些制衡因素。比如，所能注入的氫燃料有一定上限，達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)，等離子會(huì)出現(xiàn)“瓦解”(disruption)狀態(tài)而不再受控。1988年科學(xué)家馬丁·格林沃爾德(Martin Greenwald)總結(jié)了一條定律，描述了氫燃料密度、托卡馬克爐內(nèi)環(huán)的半徑和爐內(nèi)電流之間的關(guān)系。自那以后，這條定律被稱為“格林沃爾德限制”(Greenwald limit)。所有的核聚變研究設(shè)施都是遵循這條規(guī)律而建造的。

里奇說(shuō)，格林沃爾德根據(jù)試驗(yàn)數(shù)據(jù)總結(jié)了這條規(guī)律，并沒有給出理論證明。當(dāng)然，這條規(guī)律很管用，像法國(guó)的托卡馬克爐項(xiàng)目ITER的新一代版本DEMO，仍然遵循這一規(guī)律。里奇說(shuō)：“這條規(guī)律對(duì)各種實(shí)驗(yàn)是很大的限制，因?yàn)樗囊馑际?，核燃料的密度不能超過(guò)某個(gè)特定的水平?！?/p>

然而這份新研究從實(shí)驗(yàn)和理論分析同時(shí)證明，托卡馬克爐內(nèi)的氫燃料密度可以進(jìn)一步增加，核產(chǎn)能也會(huì)提升。

瑞士等離子體中心設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)，能夠準(zhǔn)確地控制投入托卡馬克爐內(nèi)核燃料的量。他們?cè)诙鄠€(gè)知名的托卡馬克爐設(shè)施都進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，包括英國(guó)牛津郡卡勒姆核聚變中心(Culham Centre for Fusion Energy)的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應(yīng)爐(Joint European Torus，縮寫為JET)、德國(guó)的ASDEX升級(jí)版和瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(xué)(EPFL)的TCV。

與此同時(shí)，研究組利用先進(jìn)的電腦模型分析等離子在托卡馬克爐內(nèi)的反應(yīng)情況，尋找燃料密度與托卡馬克爐規(guī)模之間的關(guān)系。

里奇說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)向爐內(nèi)的等離子體加入更多燃料的時(shí)候，等離子體會(huì)更加動(dòng)蕩，從而使得新加入的部分燃料會(huì)從溫度較低的外層移到高溫的核心?！巴姷你~線升溫時(shí)電阻升高，而等離子不是這樣，降溫時(shí)電阻升高。因此，同等溫度下加入的燃料越多，降溫的區(qū)域越多，導(dǎo)致等離子體瓦解的因素——等離子體內(nèi)電流流動(dòng)的難度越大?！?/p>

最后，研究人員總結(jié)出這些條件之間新的公式。研究稱從電腦模型分析得出的新規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。按照這個(gè)新的規(guī)律，ITER可投入的燃料量可以增加到現(xiàn)在水平的近兩倍。

這份研究5月6日發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》(Physical Review Letters)。