美科学家推导出核聚变“热密度界限”方程

托卡马克核聚变环装置

　　长期以来，有一神奇的现象导致研究人员无法实现可控自持续核聚变反应。然而，最近美国物理学家表示，他们可能找到了解决该谜团的途径。研究人员认为，如果新提出的解决方式被实验验证是正确的话，那么将帮助人们消除核聚变发展的一个主要障碍，使核聚变成为清洁且丰富的电力来源。

　　美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在一项深入分析中，将目标锁定于核聚变实验中高温带电气体——等离子体内那些微小的、如同气泡的、被称为岛屿的区域。这些岛屿含有能让等离子体降温的杂质。科学家认为，正是这些岛屿构成了人们熟悉的“热密度界限”问题的基础，它阻碍了核聚变反应堆最高效运行。

　　当等离子体的温度和密度足够高时，包含在其中的原子核结合并释放出能量，形成了人们所说的核聚变。然而，在托卡马克环实验反应堆中的等离子体达到神秘的“热密度界限”时，等离子体能旋转形成闪光，温度下降。

　　科学家认为，等离子体中出现众多岛屿带来了双重破坏。除了导致等离子体温度下降外，这些岛屿还如同防护罩那样阻止更多的能量来加热岛屿内的等离子体。当从岛屿中溢出的能量超过人们能够通过欧姆加热过程为等离子体添加的能量时，平衡被打破。当岛屿生长到足够大时，用于帮助加热和束缚等离子体加热的电流出现崩溃，等离子体四散开来。

　　大卫·盖茨是美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家，他和实验室博士后研究员、来自麻省理工学院等离子体科学核聚变中心的访问学者路易斯·德尔嘎多-阿帕瑞奇欧共同提出了解决核聚变“热密度界限”问题的方案。盖茨表示，令人不解的是为何给等离子体增加更多的热能却仍然无法让其达到更高的热密度，这点十分关键，因为热密度是实现核聚变的重要参数。

　　盖茨称他们偶然发现的理论为“10分钟‘啊哈’时刻”。通过将注意力放在等离子体中的岛屿和带走能量的杂质，他们在办公室白板上推算出了对应的方程式。杂质源于等离子体冲击托卡马克环壁时产生的粒子。德尔嘎多-阿帕瑞奇欧表示，当等离子体的密度达到神秘的“热密度界限”时，等离子体中便出现了众多含有杂质的岛屿并发生瓦解。

　　麻省理工学院物理学家马丁·格林沃德推导出描述“热密度界限”的方程，因而“热密度界限”也称“格林沃德界限”。对出现“热密度界限”的原因，格林沃德有着自己的解释，他认为，当湍流出现能引起等离子体边缘冷却并将过多离子挤压进等离子体核心狭小空间的起伏时，就会出现“热密度界限”，导致电流不稳定和崩溃。他表示，有相当多的证据能够验证他的观点，但同时他承认其观点也有不足之处，并欢迎新的思想。盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧提出的理论代表着试图解决“热密度界限”的新途径。

　　盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧将过去数十年中人们掌握的线索整合起来建立了他们的研究模型。盖茨本人是1993年在位于英国阿宾顿的卡尔汉姆核聚变能源中心做博士后研究时首次听说“热密度界限”的。早期，“热密度界限”曾以卡尔汉姆核聚变能源中心科学家简·胡吉尔命名，胡吉尔向盖茨详细地介绍了“热密度界限”。

　　对于等离子体岛屿问题，科学家曾单独地发表了论文。上世纪80年代中期，法国物理学家保罗-亨利·芮布特在一次会议上介绍了辐射形成的岛屿，但是没有刊登在杂志上。大约10年后，德国物理学家沃尔夫冈·苏特偌普推测岛屿与“热密度界限”相关。盖茨表示，苏特偌普虽然没有将等离子体岛屿直接与“热密度界限”联系起来，但是他的研究文章事实上启发了自己的研究。1996年，盖茨与苏特偌普同在德国马普等离子体物理研究所从事过托卡马克实验，转年才进入普林斯顿等离子体物理实验室工作。

　　2011年初，关于等离子体岛屿问题几乎从盖茨脑海中消失。然而，与德尔嘎多-阿帕瑞奇欧进行的一次涉及Alcator C-Mod托卡马克中等离子体发生岛屿的交谈，重新点燃了他对该问题的兴趣。德尔嘎多-阿帕瑞奇欧提到普林斯顿等离子体物理实验室的科学家在上世纪80年代首次观察到等离子体中出现螺丝锥形状气团的现象，德国物理学家亚瑟·韦勒为报告此现象的第一人。

　　在交谈后，盖茨让德尔嘎多-阿帕瑞奇欧查阅芮布特和苏特偌普的文章。8个月后，德尔嘎多-阿帕瑞奇欧给盖茨发送了一份电子邮件，阐述了螺丝锥形状气团的行为。最让盖茨感到激动的是暗示着“热密度界限”的岛屿生长方程，它是对英国物理学家保罗·卢瑟福基于上世纪80年代相关研究推导出的方程式进行修改而来。盖茨认为，如果苏特偌普对岛屿的认识是准确的，那么这个方程应该描述的是“热密度界限”。

　　盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧在办公室中进行演算时发现，他们并不需要整个方程式，仅仅将重点集中在等离子体电子密度和岛屿热辐射，便推导出描述热损耗超过电子密度的方程式。这转而帮助他们寻找到了有望是隐藏在“热密度界限”背后的机理。

　　在谈及科学家过去为何没能获得类似的热密度界限理论时，盖茨认为，答案在于相关的研究思想渗透或传播至科学界的过程。热辐射形成岛屿的观点从没有公开得到大量的报道，人们仅仅视其为有趣的观点。人们通常通过出版物传播信息，然而“热密度界限”的理念最初没有传播开来。

　　盖茨和德尔嘎多-阿帕瑞奇欧希望能够在麻省理工学院名为Alcator C-Mod的托卡马克核聚变环装置以及圣地亚哥通用原子公司的DⅢ-D托卡马克环上，通过实验验证他们的理论。其中的目标之一是他们打算了解能否通过直接向等离子体的岛屿注入能量让其具有更高的密度。如果能够提高密度，那么未来的托卡马克环就能达到极高的热密度，实现核聚变所需的1亿摄氏度的温度。

　　征服“热密度界限”难题将为未来托卡马克环装置实现自持续核聚变反应发电提供改进的途径，这其中包括取代国际热核实验反应堆（ITER）的核聚变装置。国际热核实验反应堆由欧共体、美国及其他5个国家共同支持建造，其造价达200亿美元。