長期以來，有一神奇的現(xiàn)象導(dǎo)致研究人員無法實(shí)現(xiàn)可控自持續(xù)核聚變反應(yīng)。然而，最近美國物理學(xué)家表示，他們可能找到了解決該謎團(tuán)的途徑。研究人員認(rèn)為，如果新提出的解決方式被實(shí)驗驗證是正確的話，那么將幫助人們消除核聚變發(fā)展的一個主要障礙，使核聚變成為清潔且豐富的電力來源。
核聚變遭難題
美國能源部普林斯頓等離子體物理實(shí)驗室的科學(xué)家在一項深入分析中，將目標(biāo)鎖定于核聚變實(shí)驗中高溫帶電氣體——等離子體內(nèi)那些微小的、如同氣泡的、被稱為島嶼的區(qū)域。這些島嶼含有能讓等離子體降溫的雜質(zhì)。科學(xué)家認(rèn)為，正是這些島嶼構(gòu)成了人們熟悉的“熱密度界限”問題的基礎(chǔ)，它阻礙了核聚變反應(yīng)堆最高效運(yùn)行。
當(dāng)?shù)入x子體的溫度和密度足夠高時，包含在其中的原子核結(jié)合并釋放出能量，形成了人們所說的核聚變。然而，在托卡馬克環(huán)實(shí)驗反應(yīng)堆中的等離子體達(dá)到神秘的“熱密度界限”時，等離子體能旋轉(zhuǎn)形成閃光，溫度下降。
科學(xué)家認(rèn)為，等離子體中出現(xiàn)眾多島嶼帶來了雙重破壞。除了導(dǎo)致等離子體溫度下降外，這些島嶼還如同防護(hù)罩那樣阻止更多的能量來加熱島嶼內(nèi)的等離子體。當(dāng)從島嶼中溢出的能量超過人們能夠通過歐姆加熱過程為等離子體添加的能量時，平衡被打破。當(dāng)島嶼生長到足夠大時，用于幫助加熱和束縛等離子體加熱的電流出現(xiàn)崩潰，等離子體四散開來。
大衛(wèi)·蓋茨是美國能源部普林斯頓等離子體物理實(shí)驗室的物理學(xué)家，他和實(shí)驗室博士后研究員、來自麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)核聚變中心的訪問學(xué)者路易斯·德爾嘎多-阿帕瑞奇歐共同提出了解決核聚變“熱密度界限”問題的方案。蓋茨表示，令人不解的是為何給等離子體增加更多的熱能卻仍然無法讓其達(dá)到更高的熱密度，這點(diǎn)十分關(guān)鍵，因為熱密度是實(shí)現(xiàn)核聚變的重要參數(shù)。
歸納出新知
蓋茨稱他們偶然發(fā)現(xiàn)的理論為“10分鐘‘啊哈’時刻”。通過將注意力放在等離子體中的島嶼和帶走能量的雜質(zhì)，他們在辦公室白板上推算出了對應(yīng)的方程式。雜質(zhì)源于等離子體沖擊托卡馬克環(huán)壁時產(chǎn)生的粒子。德爾嘎多-阿帕瑞奇歐表示，當(dāng)?shù)入x子體的密度達(dá)到神秘的“熱密度界限”時，等離子體中便出現(xiàn)了眾多含有雜質(zhì)的島嶼并發(fā)生瓦解。
麻省理工學(xué)院物理學(xué)家馬丁·格林沃德推導(dǎo)出描述“熱密度界限”的方程，因而“熱密度界限”也稱“格林沃德界限”。對出現(xiàn)“熱密度界限”的原因，格林沃德有著自己的解釋，他認(rèn)為，當(dāng)湍流出現(xiàn)能引起等離子體邊緣冷卻并將過多離子擠壓進(jìn)等離子體核心狹小空間的起伏時，就會出現(xiàn)“熱密度界限”，導(dǎo)致電流不穩(wěn)定和崩潰。他表示，有相當(dāng)多的證據(jù)能夠驗證他的觀點(diǎn)，但同時他承認(rèn)其觀點(diǎn)也有不足之處，并歡迎新的思想。蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐提出的理論代表著試圖解決“熱密度界限”的新途徑。
蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐將過去數(shù)十年中人們掌握的線索整合起來建立了他們的研究模型。蓋茨本人是1993年在位于英國阿賓頓的卡爾漢姆核聚變能源中心做博士后研究時首次聽說“熱密度界限”的。早期，“熱密度界限”曾以卡爾漢姆核聚變能源中心科學(xué)家簡·胡吉爾命名，胡吉爾向蓋茨詳細(xì)地介紹了“熱密度界限”。
對于等離子體島嶼問題，科學(xué)家曾單獨(dú)地發(fā)表了論文。上世紀(jì)80年代中期，法國物理學(xué)家保羅-亨利·芮布特在一次會議上介紹了輻射形成的島嶼，但是沒有刊登在雜志上。大約10年后，德國物理學(xué)家沃爾夫?qū)ぬK特偌普推測島嶼與“熱密度界限”相關(guān)。蓋茨表示，蘇特偌普雖然沒有將等離子體島嶼直接與“熱密度界限”聯(lián)系起來，但是他的研究文章事實(shí)上啟發(fā)了自己的研究。1996年，蓋茨與蘇特偌普同在德國馬普等離子體物理研究所從事過托卡馬克實(shí)驗，轉(zhuǎn)年才進(jìn)入普林斯頓等離子體物理實(shí)驗室工作。
2011年初，關(guān)于等離子體島嶼問題幾乎從蓋茨腦海中消失。然而，與德爾嘎多-阿帕瑞奇歐進(jìn)行的一次涉及AlcatorC-Mod托卡馬克中等離子體發(fā)生島嶼的交談，重新點(diǎn)燃了他對該問題的興趣。德爾嘎多-阿帕瑞奇歐提到普林斯頓等離子體物理實(shí)驗室的科學(xué)家在上世紀(jì)80年代首次觀察到等離子體中出現(xiàn)螺絲錐形狀氣團(tuán)的現(xiàn)象，德國物理學(xué)家亞瑟·韋勒為報告此現(xiàn)象的第一人。
在交談后，蓋茨讓德爾嘎多-阿帕瑞奇歐查閱芮布特和蘇特偌普的文章。8個月后，德爾嘎多-阿帕瑞奇歐給蓋茨發(fā)送了一份電子郵件，闡述了螺絲錐形狀氣團(tuán)的行為。最讓蓋茨感到激動的是暗示著“熱密度界限”的島嶼生長方程，它是對英國物理學(xué)家保羅·盧瑟福基于上世紀(jì)80年代相關(guān)研究推導(dǎo)出的方程式進(jìn)行修改而來。蓋茨認(rèn)為，如果蘇特偌普對島嶼的認(rèn)識是準(zhǔn)確的，那么這個方程應(yīng)該描述的是“熱密度界限”。
蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐在辦公室中進(jìn)行演算時發(fā)現(xiàn)，他們并不需要整個方程式，僅僅將重點(diǎn)集中在等離子體電子密度和島嶼熱輻射，便推導(dǎo)出描述熱損耗超過電子密度的方程式。這轉(zhuǎn)而幫助他們尋找到了有望是隱藏在“熱密度界限”背后的機(jī)理。
在談及科學(xué)家過去為何沒能獲得類似的熱密度界限理論時，蓋茨認(rèn)為，答案在于相關(guān)的研究思想滲透或傳播至科學(xué)界的過程。熱輻射形成島嶼的觀點(diǎn)從沒有公開得到大量的報道，人們僅僅視其為有趣的觀點(diǎn)。人們通常通過出版物傳播信息，然而“熱密度界限”的理念最初沒有傳播開來。
蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐希望能夠在麻省理工學(xué)院名為AlcatorC-Mod的托卡馬克核聚變環(huán)裝置以及圣地亞哥通用原子公司的DⅢ-D托卡馬克環(huán)上，通過實(shí)驗驗證他們的理論。其中的目標(biāo)之一是他們打算了解能否通過直接向等離子體的島嶼注入能量讓其具有更高的密度。如果能夠提高密度，那么未來的托卡馬克環(huán)就能達(dá)到極高的熱密度，實(shí)現(xiàn)核聚變所需的1億攝氏度的溫度。
征服“熱密度界限”難題將為未來托卡馬克環(huán)裝置實(shí)現(xiàn)自持續(xù)核聚變反應(yīng)發(fā)電提供改進(jìn)的途徑，這其中包括取代國際熱核實(shí)驗反應(yīng)堆（ITER）的核聚變裝置。國際熱核實(shí)驗反應(yīng)堆由歐共體、美國及其他5個國家共同支持建造，其造價達(dá)200億美元。
