我們都知道，核聚變能以等離子體的形式結(jié)合輕元素，并釋放大量的能量。在地球上創(chuàng)造并控制核聚變，從而帶來(lái)幾乎取之不盡的安全、清潔的無(wú)碳能源，是許多科研人員的終極目標(biāo)。

然而在核聚變實(shí)驗(yàn)研究的歷程中，十幾年前的一個(gè)有關(guān)核聚變的悖論讓普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的科學(xué)家感到震驚和困惑。

簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，他們?cè)诤司圩冊(cè)O(shè)施國(guó)家球形環(huán)面實(shí)驗(yàn)（National Spherical Torus Experiment，NSTX）中發(fā)現(xiàn)，向?qū)嶒?yàn)裝置輸送的熱量越多，中心溫度上升的幅度卻越小了。為什么會(huì)發(fā)生這種情況？這成了一大謎團(tuán)。

2009 年拍攝的 NSTX 外觀。（圖／PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory）

直到近期，PPPL 科學(xué)家根據(jù)理論和計(jì)算模擬，提出了關(guān)于這個(gè)謎團(tuán)新的解釋。論文已經(jīng)發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》上。

實(shí)驗(yàn)中的謎團(tuán)

托卡馬克是目前核聚變實(shí)驗(yàn)中最常見(jiàn)的一類(lèi)裝置，它們大多呈甜甜圈的形狀，也就是傳統(tǒng)的環(huán)形托卡馬克。

而球形托卡馬克是傳統(tǒng)托卡馬克的一種衍生產(chǎn)物。和 " 甜甜圈 " 形狀的傳統(tǒng)裝置相比，球形裝置的整體形狀更像一顆 " 帶芯的蘋(píng)果 "。球形裝置能產(chǎn)生具有高性?xún)r(jià)比的磁場(chǎng)，因此也成為試驗(yàn)性聚變電站模型的候選之一。

NSTX 就是一個(gè)基于球形托卡馬克的著名核聚變實(shí)驗(yàn)設(shè)施，它于 1999 年投入使用，并于 2012 年關(guān)閉升級(jí)，成為 NSTX-U。

NSTX 示意圖。（圖／PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory）

通常情況下，用常理推測(cè)來(lái)說(shuō)，實(shí)驗(yàn)中輸入的功率越大，溫度自然應(yīng)該就越高。但十幾年前，NSTX 中卻觀察到了令人困惑的等離子體行為。隨著輸入的熱量不斷增加，中心溫度的曲線卻開(kāi)始變得平緩，換言之，溫度上升的幅度變小了。一直以來(lái)，許多物理學(xué)家一直在研究這種現(xiàn)象背后的原因。

模擬發(fā)現(xiàn)的機(jī)制

在新研究中，研究人員利用過(guò)去 NSTX 的數(shù)據(jù)開(kāi)發(fā)了計(jì)算機(jī)代碼。他們模擬了過(guò)去在 NSTX 上進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)，得出的結(jié)果在很大程度上與實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致。

通過(guò)高分辨率計(jì)算機(jī)模擬，團(tuán)隊(duì)詳細(xì)展示了會(huì)導(dǎo)致溫度保持不變甚至降低的因素。他們發(fā)現(xiàn)，增加功率的同時(shí)會(huì)導(dǎo)致等離子體中某些位置的壓強(qiáng)升高，當(dāng)達(dá)到某個(gè)臨界點(diǎn)時(shí)，壓強(qiáng)就會(huì)開(kāi)始破壞嵌套磁表面，這其實(shí)就是溫度不再繼續(xù)上升的直接原因。

這些表面由環(huán)繞托卡馬克的磁場(chǎng)形成來(lái)限制等離子體，而這種破壞則會(huì)讓等離子體變得不穩(wěn)定，破壞使等離子體內(nèi)部電子的溫度升高變得平緩，從而讓熾熱的帶電氣體中心的溫度無(wú)法上升到核聚變相關(guān)的水平。

球形托卡馬克的特殊性

研究人員認(rèn)為，這種發(fā)現(xiàn)的機(jī)制應(yīng)該在球形托卡馬克中普遍存在，揭開(kāi)這一謎團(tuán)的機(jī)制應(yīng)該能幫助世界各地的核聚變實(shí)驗(yàn)研究。

這一結(jié)果也在提醒科學(xué)家，在設(shè)計(jì)和實(shí)際操作球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)時(shí)，必須注意確保等離子體壓強(qiáng)在設(shè)施的某些位置不超過(guò)特定的臨界值。而使用計(jì)算機(jī)模擬，可以幫助有效地量化這些數(shù)值。

研究人員正在繼續(xù)詳細(xì)研究整個(gè)過(guò)程，進(jìn)一步了解磁表面破壞的細(xì)節(jié)。他們還注意到，相比于傳統(tǒng)的環(huán)形托卡馬克，球形托卡馬克中似乎更容易出現(xiàn)這種現(xiàn)象，這背后的原因也是科學(xué)家進(jìn)一步研究的重點(diǎn)之一。