研究：一个基本的新定律解开了核聚变能源的“枷锁”

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的物理学家们在一个大型的欧洲合作项目中修订了一个基本定律，该定律在过去三十多年里一直是等离子体和聚变研究的基础，甚至支配着ITER等大型项目的设计。该更新表明，人们实际上可以在聚变反应堆中安全地利用更多的氢燃料，从而获得比以前认为更多的能量。

核聚变是最有前景的未来能源之一。它涉及两个原子核合并成一个，从而释放出巨大的能量。事实上，我们每天都在经历核聚变：太阳的温暖来自于氢核融合成更重的氦原子。

目前有一个名为ITER的国际核聚变研究大型项目，试图复制太阳的核聚变过程，在地球上创造能量。其目标是产生高温等离子体，为核聚变的发生提供合适的环境，产生能量。

等离子体--一种类似于气体的物质电离状态--由带正电的原子核和带负电的电子组成，其密度几乎是我们呼吸的空气的百万分之一。质子是通过将“核聚变燃料”--氢原子--置于极高的温度下（是太阳核心温度的10倍），迫使电子与原子核分离而产生的。在核聚变反应堆中，这一过程发生在一个被称为“托卡马克”的甜甜圈状（“环形”）结构中。

瑞士等离子体中心的Paolo Ricci说：“为了创造用于核聚变的等离子体，你必须考虑三件事：高温、高密度的氢燃料和良好的封闭性，”该中心是位于EPFL的世界领先的核聚变研究机构之一。

在一个大型的欧洲合作项目中，Ricci的团队现在发布了一项研究，更新了等离子体生成的一个基本原则--并表明即将到来的ITER托卡马克实际上可以用两倍的氢气量运行，从而产生比以前想象的更多的聚变能量。

“在托卡马克内制造等离子体的限制之一是你能注入的氢燃料的数量，”Ricci说。“从核聚变的早期开始，我们就知道，如果你试图增加燃料密度，在某些时候就会出现我们所说的‘破坏’--基本上你完全失去了约束，等离子体就会到处乱跑。因此，在80年代，人们试图想出某种规律，可以预测你可以放在托卡马克内的最大氢气密度。”

1988年科学家有了答案，当时核聚变科学家Martin Greenwald 发表了一个著名的定律，该定律将燃料密度与托卡马克的小半径（“甜甜圈”内圆的半径）以及托卡马克内的等离子体流动的电流联系起来。从那时起，“Greenwald limit”就一直是聚变研究的基础原则；事实上，ITER的托卡马克建设战略就是基于此。

“Greenwald根据经验得出了这个定律，即完全来自于实验数据--不是经过检验的理论，或我们称之为‘第一原理’，”Ricci解释说。“不过，这个极限对研究来说还是很有效的。而且，在某些情况下，像DEMO（国际热核实验反应堆的继任者），这个方程对他们的运行构成了一个很大的限制，因为它说你不能把燃料密度提高到某一水平以上。”

瑞士等离子体中心与其他托卡马克团队合作，设计了一个实验，可以使用高度复杂的技术来精确控制注入托卡马克的燃料量。这些大规模的实验是在世界最大的托卡马克、欧洲联合环流器（JET）以及德国的ASDEX升级版（马克斯-普朗克研究所）和EPFL自己的TCV托卡马克进行的。这一大规模的实验努力是由欧洲核聚变联盟促成的，该联盟是协调欧洲核聚变研究的欧洲组织，EPFL现在通过德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所参加了该联盟。

同时，Ricci小组的博士生Maurizio Giacomin开始分析限制托卡马克密度的物理过程，以便推导出能够将燃料密度和托卡马克尺寸联系起来的第一原理法。不过，其中一部分涉及使用计算机模型进行的等离子体的高级模拟。

“这些模拟利用了世界上一些最大的计算机，例如由CSCS、瑞士国家超级计算中心和EUROfusion提供的那些计算机，”Ricci说。“我们通过模拟发现，当你在等离子体中加入更多的燃料时，部分燃料会从托卡马克的外部冷层，即边界，移回其核心，因为等离子体变得更加湍急。然后，与电铜线不同，电铜线在受热时变得更有抵抗力，等离子体在冷却时变得更有抵抗力。因此，在相同的温度下，你投入的燃料越多，它冷却的部分就越多--电流在等离子体中流动就越困难，可能导致破坏。”

这对模拟来说是个挑战。“流体中的湍流实际上是经典物理学中最重要的公开问题，”Ricci说。“但是等离子体中的湍流更加复杂，因为你还有电磁场。”

最后，Ricci和他的同事们能够破解密码，并推导出一个关于托卡马克中燃料极限的新方程，该方程与实验非常吻合。有关该方程的研究于2022年5月6日发表在《物理评论快报》杂志上，它通过接近Greenwald极限，对其进行了公正的评价，但又对其进行了重大更新。

新方程认为，就ITER的燃料而言，“Greenwald limit”可以提高近两倍；这意味着像ITER这样的托卡马克实际上可以使用近两倍的燃料来产生等离子体而不用担心中断。“这很重要，因为它表明，你在托卡马克中能够达到的密度随着你运行它所需要的功率而增加，”Ricci说。“实际上，DEMO将在比目前的托卡马克和ITER高得多的功率下运行，这意味着你可以增加更多的燃料密度而不限制输出，这与Greenwald定律相反。而这是非常好的消息。”