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(chēng)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)?？茖W(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(kāi)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?tīng)柛露?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(chēng)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?tīng)柛露?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(chēng)“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?zhuān)J(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?tīng)柛露?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?tīng)柛露?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(tīng)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”。

對(duì)于等離子體島嶼問(wèn)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(guó)物理學(xué)家保羅-亨利·芮布特在一次會(huì)議上介紹了輻射形成的島嶼，但是沒(méi)有刊登在雜志上。大約10年后，德國(guó)物理學(xué)家沃爾夫?qū)?middot;蘇特偌普推測(cè)島嶼與“熱密度界限”相關(guān)。蓋茨表示，蘇特偌普雖然沒(méi)有將等離子體島嶼直接與“熱密度界限”聯(lián)系起來(lái)，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(guó)馬普等離子體物理研究所從事過(guò)托卡馬克實(shí)驗(yàn)，轉(zhuǎn)年才進(jìn)入普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室工作。

2011年初，關(guān)于等離子體島嶼問(wèn)題幾乎從蓋茨腦海中消失。然而，與德?tīng)柛露?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(duì)該問(wèn)題的興趣。德?tīng)柛露?阿帕瑞奇歐提到普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)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(guó)物理學(xué)家亞瑟·韋勒為報(bào)告此現(xiàn)象的第一人。

在交談后，蓋茨讓德?tīng)柛露?阿帕瑞奇歐查閱芮布特和蘇特偌普的文章。8個(gè)月后，德?tīng)柛露?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(dòng)的是暗示著“熱密度界限”的島嶼生長(zhǎng)方程，它是對(duì)英國(guó)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(lái)。蓋茨認(rèn)為，如果蘇特偌普對(duì)島嶼的認(rèn)識(shí)是準(zhǔn)確的，那么這個(gè)方程應(yīng)該描述的是“熱密度界限”。

蓋茨和德?tīng)柛露?阿帕瑞奇歐在辦公室中進(jìn)行演算時(shí)發(fā)現(xiàn)，他們并不需要整個(gè)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(guò)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(guò)去為何沒(méi)能獲得類(lèi)似的熱密度界限理論時(shí)，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(guò)程。熱輻射形成島嶼的觀點(diǎn)從沒(méi)有公開(kāi)得到大量的報(bào)道，人們僅僅視其為有趣的觀點(diǎn)。人們通常通過(guò)出版物傳播信息，然而“熱密度界限”的理念最初沒(méi)有傳播開(kāi)來(lái)。

蓋茨和德?tīng)柛露?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(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(guò)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(lái)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(lái)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(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）的核聚變裝置。國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆由歐共體、美國(guó)及其他5個(gè)國(guó)家共同支持建造，其造價(jià)達(dá)200億美元。