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，它的目標是創造出高溫等離子體，為核聚變的發生提供合適的環境，并產生能量。
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。
創造等離子體
等離子體是一種類似氣體的物質電離態，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。通過將聚變燃料，也就是氫原子，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境。一種被稱為托卡馬克的“甜甜圈”環形結構正是絕佳的選擇。
這是一種磁線圈環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億攝氏度的極高溫狀態下，甚至比太陽核心還要熱，從而讓氫原子之間發生核聚變反應。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，科學家就已經發現，如果試圖增加燃料密度，達到某一個程度時，就會出現所謂的“破壞”，換言之，系統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律，從而預測可以放在托卡馬克內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”內環的半徑）以及托卡馬克內等離子體流動的電流聯系在了一起。
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則，包括在規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，格林沃爾德是根據經驗得出了這則定律，也就是說，它完全來自實驗數據，而不是經過試驗的理論，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，推導能夠將燃料密度和托卡馬克尺寸聯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。
通過模擬發現，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。流體中的湍流本身就是經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，進一步發展出了重大的理論更新。
根據新方程的計算，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。
#創作團隊：
編譯：Gaviota
排版：雯雯
#參考來源：
https://actu.epfl.ch/news/a-new-law-unchains-fusion-energy/
#圖片來源：
封面圖&首圖：Alain Herzog (EPFL)
