突破燃料密度極限 核聚變基本定律修訂

科技日報北京5月18日電 （記者劉霞）來自瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）等的國際科研團隊，修訂了核聚變領域的一條基本定律。新定律指出，科學家們實際上可以在核聚變反應堆中安全地添加更多氫燃料，從而獲得比之前想象的更多的能量。相關研究發表於最新一期《物理評論快報》雜誌。

核聚變是未來最有希望的能源之一，涉及兩個原子核合併成一個釋放出巨大的能量，太陽的熱量正源自氫原子核聚變成更重的氦原子。國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）旨在複製太陽的聚變過程，創造出高温等離子體，為聚變提供合適的環境，最終產生能量。

等離子體是類似於氣體的物質的電離態，由帶正電荷的原子核和帶負電荷的電子組成，密度僅為空氣的百萬分之一。將聚變燃料氫原子置於極高温度下，迫使其電子與原子核分離而產生等離子體，這個過程發生在名為“託卡馬克”的環形結構內。

最新研究負責人、EPFL瑞士等離子體中心的保羅·裏奇説：“在託卡馬克內製造等離子體的限制之一是可以注入的氫燃料量。1988年，核聚變科學家馬丁·格林沃爾德提出的定律將燃料密度與託卡馬克的小半徑和在託卡馬克內部等離子體中流動的電流相關聯，自此‘格林沃爾德極限’一直是聚變研究的基本原則，ITER的建造也基於此。”

裏奇同時指出，儘管格林沃爾德的理論在某些研究中非常有效，但在某些情況下，如ITER的繼任者核聚變示範電廠（DEMO），會極大地限制其運行，因為它表明不能將燃料密度增加到某個水平以上。

鑑於此，裏奇團隊與其他託卡馬克團隊合作，設計了一個實驗，可使用高度複雜的技術精確控制注入託卡馬克的燃料量，他們在現有世界上最大的幾個託卡馬克裝置，如位於英國的歐共體聯合聚變中心開展了試驗，同時分析了限制託卡馬克內氫燃料密度的物理過程，以推導出一個可關聯燃料密度和託卡馬克尺寸的第一性原理，並使用世界上一些最大的計算機進行了模擬。

最終，他們推導出與實驗結果非常吻合的託卡馬克燃料極限的新方程。新方程假定，就ITER內添加的燃料而言，格林沃爾德極限可提高近兩倍，這意味着ITER等裝置可以使用幾乎兩倍的燃料來產生等離子體，從而產生更多能量。DEMO將以比現在的託卡馬克和ITER高得多的功率運行，因此也可以增加更多燃料。