托卡馬克核聚變環(huán)裝置

　　長(zhǎng)期以來(lái)，有一神奇的現(xiàn)象導(dǎo)致研究人員無(wú)法實(shí)現(xiàn)可控自持續(xù)核聚變反應(yīng)。然而，最近美國(guó)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(yàn)驗(yàn)證是正確的話，那么將幫助人們消除核聚變發(fā)展的一個(gè)主要障礙，使核聚變成為清潔且豐富的電力來(lái)源。

　　核聚變?cè)怆y題

　　美國(guó)能源部普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的科學(xué)家在一項(xiàng)深入分析中，將目標(biāo)鎖定于核聚變實(shí)驗(yàn)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(wèn)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(shí)，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(shuō)的核聚變。然而，在托卡馬克環(huán)實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆中的等離子體達(dá)到神秘的“熱密度界限”時(shí)，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(lái)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(lái)加熱島嶼內(nèi)的等離子體。當(dāng)從島嶼中溢出的能量超過(guò)人們能夠通過(guò)歐姆加熱過(guò)程為等離子體添加的能量時(shí)，平衡被打破。當(dāng)島嶼生長(zhǎng)到足夠大時(shí)，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(lái)。

　　大衛(wèi)·蓋茨是美國(guó)能源部普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的物理學(xué)家，他和實(shí)驗(yàn)室博士后研究員、來(lái)自麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)核聚變中心的訪問(wèn)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(wèn)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(wú)法讓其達(dá)到更高的熱密度，這點(diǎn)十分關(guān)鍵，因?yàn)闊崦芏仁菍?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(shí)刻”。通過(guò)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?cè)谵k公室白板上推算出了對(duì)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(shí)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(shí)，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(duì)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(guò)多離子擠壓進(jìn)等離子體核心狹小空間的起伏時(shí)，就會(huì)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(yàn)證他的觀點(diǎn)，但同時(shí)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(guò)去數(shù)十年中人們掌握的線索整合起來(lái)建立了他們的研究模型。蓋茨本人是1993年在位于英國(guó)阿賓頓的卡爾漢姆核聚變能源中心做博士后研究時(shí)首次聽說(shuō)“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(jiǎn)·胡吉爾命名，胡吉爾向蓋茨詳細(xì)地介紹了“熱密度界限”。