核聚變是目前最有前景的未來能源之一。它的原理是將兩個原子核合二為一，從而釋放出巨大的能量。

事實上，核聚變離我們并不遠，甚至可以說，我們完全離不開它，因為來自太陽的溫暖就是由氫核聚變成更重的氦的過程創(chuàng)造的。這種反應過程在宇宙中幾乎隨處可見。

但科學家也正努力在地球上“復刻太陽”，制造出聚變過程。著名的ITER（國際熱核聚變實驗堆）國際核聚變大型研究項目正是其中之一，它的目標是創(chuàng)造出高溫等離子體，為核聚變的發(fā)生提供合適的環(huán)境，并產(chǎn)生能量。

近日，一組物理學家團隊又將這一目標向前推進了一步。他們從理論入手，修訂了一則有關等離子體和聚變研究的基本定律。這次理論更新表明，我們實際上可以在聚變反應堆中安全地使用更多的氫燃料，從而獲得比以前認為更多的能量。

  創(chuàng)造等離子體  

等離子體是一種類似氣體的物質(zhì)電離態(tài)，它由帶正電的原子核和帶負電的電子構成，密度比我們呼吸的空氣還要低一百萬倍。通過將聚變?nèi)剂希簿褪菤湓?，置于極高的溫度下，迫使電子與原子核分離，從而制造出來。

簡單來說，為了創(chuàng)造用于核聚變的等離子體，必須考慮三件事：高溫、高密度的氫燃料，還有良好封閉性的環(huán)境。一種被稱為托卡馬克的“甜甜圈”環(huán)形結構正是絕佳的選擇。

這是一種磁線圈環(huán)繞的甜甜圈形狀的真空裝置，它借助強大的磁場，將等離子體限制在數(shù)億攝氏度的極高溫狀態(tài)下，甚至比太陽核心還要熱，從而讓氫原子之間發(fā)生核聚變反應。這種方法被廣泛采用，目前全世界約有幾十臺投入使用的托卡馬克。

ITER的托卡馬克。（圖／Alain Herzog, EPFL）

在托卡馬克內(nèi)部制造等離子體的限制之一是注入的氫燃料的量。早在核聚變研究的初期，科學家就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果試圖增加燃料密度，達到某一個程度時，就會出現(xiàn)所謂的“破壞”，換言之，系統(tǒng)基本上就失去了約束，等離子體就四散各處。

因此，到了20世紀80年代，科學家一直試圖找到某種規(guī)律，從而預測可以放在托卡馬克內(nèi)注入的氫的密度極限。

  格林沃爾德極限  

1988年，這個棘手的問題有了答案。當時，核聚變科學家馬丁·格林沃爾德（Martin Greenwald）發(fā)表了一則著名定律，將燃料密度與托卡馬克的小半徑（“甜甜圈”內(nèi)環(huán)的半徑）以及托卡馬克內(nèi)等離子體流動的電流聯(lián)系在了一起。

自此，在過去30多年間，格林沃爾德極限一直是聚變研究的基礎原則。事實上，ITER的托卡馬克建造同樣是基于這一規(guī)則，包括在規(guī)劃未來的核聚變項目時，科學家也將它視為一種需要遵守的限制。

雖然，這一極限對研究和應用來說非常行之有效，但是，格林沃爾德是根據(jù)經(jīng)驗得出了這則定律，也就是說，它完全來自實驗數(shù)據(jù)，而不是經(jīng)過試驗的理論，或者所謂的第一原理。

  重大更新  

在新研究中，團隊設計了一項實驗，可以借助極精密的技術，精確控制注入托卡馬克的燃料量。這些大規(guī)模的實驗在世界上多臺托卡馬克上進行。

同時，團隊中的科學家開始分析限制托卡馬克中密度的物理過程，推導能夠?qū)⑷剂厦芏群屯锌R克尺寸聯(lián)系起來的第一原理定律。研究還包括使用計算機模型對等離子體進行先進的模擬，這些模擬用到了世界上一些最大型的計算機。

通過模擬發(fā)現(xiàn)，在等離子體中加入更多的燃料時，部分燃料會從托卡馬克溫度較低的外層，也就是邊界，移動回到其核心，因為等離子體變得更加湍動。等離子體在冷卻時反而會變得更具抗性。因此，在相同的溫度下，投入的燃料越多，它冷卻的部分就越多，電流在等離子體中流動就越困難，最終可能導致破壞。

這對模擬來說是個挑戰(zhàn)。流體中的湍流本身就是經(jīng)典物理學中最重要的未解難題，而等離子體中的湍流更為復雜，因為還涉及電磁場。

但最終，團隊成功推導出了托卡馬克中燃料極限的新方程，它與實驗結果非常吻合。新的理論在格林沃爾德極限的基礎上，進一步發(fā)展出了重大的理論更新。

根據(jù)新方程的計算，就ITER的燃料而言，格林沃爾德極限可以提高近兩倍。也就是說，像ITER這樣的托卡馬克，實際上可以用近兩倍的燃料來產(chǎn)生等離子體，而不用擔心破壞，從而釋放出比之前認為的更豐富的聚變能。

對聚變研究來說，這自然是一則非常好的消息，它同樣有機會為未來更多核聚變項目提供更準確的指導。