新理論解決“仿星器”粒子泄漏研究難題

科技日報北京5月12日電 （記者張佳欣）來自美國得克薩斯大學奧斯汀分校、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和第一型能源集團的研究團隊發現了一種更快、更準確的方法來修復聚變反應中的磁場缺陷，解決了尋找“仿星器”中粒子泄漏位置的難題。研究人員稱，這一進展是設計聚變反應堆的範式轉變，有望使研製仿星器的速度提高10倍。相關論文近期發表於《物理評論快報》雜誌。

仿星器的概念於20世紀50年代提出，是一種採用環形設計的聚變反應堆。它依靠精密的外部繞組來控制內部產生的磁場，從而實現對等離子體和高能粒子的約束。這種約束系統常被描述為“磁瓶”。

阻礙聚變能源發展的一大挑戰在於，如何將高能粒子約束在聚變反應堆內。當高能α粒子從反應堆中泄漏時，等離子體便無法達到維持聚變反應所需的高温和高密度。

然而，這些磁場中往往存在肉眼看不見的“縫隙”，α粒子會從這些縫隙中逃逸。使用基於牛頓定律的傳統方法去識別磁瓶中的縫隙位置，計算量巨大且速度緩慢。此外，為了設計仿星器，工程師還需模擬和測試數百種磁線圈的變體，設計過程十分繁瑣。

為了節省時間和金錢，科學家和工程師通常會採用一種更簡單的方法來確定縫隙的近似位置，即微擾理論。但這種方法準確性較低，從而減緩了仿星器的開發進程。而此次研究團隊提出的新方法基於對稱理論，為理解該系統提供了全新視角。

利用新方法，團隊或能更準確地繪製出粒子的潛在泄漏點，這為提高反應堆的安全性和效率提供了有力工具。團隊表示，儘管磁聚變設計仍存在其他重大挑戰，但這一進展解決了自70多年前首次提出仿星器以來就有的最大難題。

值得一提的是，這種新方法還有助於解決另一種流行的磁約束聚變反應堆設計，即託卡馬克中一個類似但不同的問題。託卡馬克設計中存在失控電子的問題，高能電子可能在周圍的牆壁上打出空洞。這種新方法可以幫助識別磁場中這些電子可能泄漏的縫隙。