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)

一個歐洲研究組從試驗和理論分析同時證明了利用核聚變爐進行安全反應能夠加入的氫核燃料的上限，達到以前認知的近兩倍。這意味著將來核聚變設施的產(chǎn)能也比以前理論認為的高得多。

核聚變反應可以捕獲在兩個原子核合并過程中所釋放的巨大能量。太陽內(nèi)部每天都在進行這種反應——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電的電子組成，達到一個電荷平衡的狀態(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，比如需要像太陽內(nèi)部那樣的高溫。現(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，像甜甜圈形狀的設備。

托卡馬克爐創(chuàng)造可達太陽內(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：“為了造出用于核聚變的等離子體，要考慮三個條件：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，達到某個臨界點，等離子會出現(xiàn)“瓦解”(disruption)狀態(tài)而不再受控。1988年科學家馬丁·格林沃爾德(Martin Greenwald)總結了一條定律，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施都是遵循這條規(guī)律而建造的。

里奇說，格林沃爾德根據(jù)試驗數(shù)據(jù)總結了這條規(guī)律，并沒有給出理論證明。當然，這條規(guī)律很管用，像法國的托卡馬克爐項目ITER的新一代版本DEMO，仍然遵循這一規(guī)律。里奇說：“這條規(guī)律對各種實驗是很大的限制，因為它的意思是，核燃料的密度不能超過某個特定的水平?！?/p>

然而這份新研究從實驗和理論分析同時證明，托卡馬克爐內(nèi)的氫燃料密度可以進一步增加，核產(chǎn)能也會提升。

瑞士等離子體中心設計了一個實驗，能夠準確地控制投入托卡馬克爐內(nèi)核燃料的量。他們在多個知名的托卡馬克爐設施都進行了實驗，包括英國牛津郡卡勒姆核聚變中心(Culham Centre for Fusion Energy)的歐洲聯(lián)合環(huán)狀反應爐(Joint European Torus，縮寫為JET)、德國的ASDEX升級版和瑞士洛桑聯(lián)邦理工大學(EPFL)的TCV。

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

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

最后，研究人員總結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)律與實驗結果一致。按照這個新的規(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《物理評論快報》(Physical Review Letters)。