科学探索|研究：一个基本的新定律解开了核聚变能源的“枷锁” 研究：一个基本的新定律解开

瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）的物理学家们在一个大型的欧洲合作项目中修订了一个基本定律，该定律在过去三十多年里一直是等离子体和聚变研究的基础，甚至支配着ITER等大型项目的设计。该更新表明，人们实际上可以在聚变反应堆中安全地利用更多的氢燃料，从而获得比以前认为更多的能量。

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核聚变是最有前景的未来能源之一。它涉及两个原子核合并成一个，从而释放出巨大的能量。事实上，我们每天都在经历核聚变：太阳的温暖来自于氢核融合成更重的氦原子。
目前有一个名为ITER的国际核聚变研究大型项目，试图复制太阳的核聚变过程，在地球上创造能量。其目标是产生高温等离子体，为核聚变的发生提供合适的环境，产生能量。
等离子体--一种类似于气体的物质电离状态--由带正电的原子核和带负电的电子组成，其密度几乎是我们呼吸的空气的百万分之一。质子是通过将“核聚变燃料”--氢原子--置于极高的温度下（是太阳核心温度的10倍），迫使电子与原子核分离而产生的。在核聚变反应堆中，这一过程发生在一个被称为“托卡马克”的甜甜圈状（“环形”）结构中。

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瑞士等离子体中心的Paolo Ricci说：“为了创造用于核聚变的等离子体，你必须考虑三件事：高温、高密度的氢燃料和良好的封闭性，”该中心是位于EPFL的世界领先的核聚变研究机构之一。
在一个大型的欧洲合作项目中，Ricci的团队现在发布了一项研究，更新了等离子体生成的一个基本原则--并表明即将到来的ITER托卡马克实际上可以用两倍的氢气量运行，从而产生比以前想象的更多的聚变能量。
“在托卡马克内制造等离子体的限制之一是你能注入的氢燃料的数量，”Ricci说。“从核聚变的早期开始，我们就知道，如果你试图增加燃料密度，在某些时候就会出现我们所说的‘破坏’--基本上你完全失去了约束，等离子体就会到处乱跑。因此，在80年代，人们试图想出某种规律，可以预测你可以放在托卡马克内的最大氢气密度。”
1988年科学家有了答案，当时核聚变科学家Martin Greenwald 发表了一个著名的定律，该定律将燃料密度与托卡马克的小半径（“甜甜圈”内圆的半径）以及托卡马克内的等离子体流动的电流联系起来。从那时起，“Greenwald limit”就一直是聚变研究的基础原则；事实上，ITER的托卡马克建设战略就是基于此。
“Greenwald根据经验得出了这个定律，即完全来自于实验数据--不是经过检验的理论，或我们称之为‘第一原理’，”Ricci解释说。“不过，这个极限对研究来说还是很有效的。而且，在某些情况下，像DEMO（国际热核实验反应堆的继任者），这个方程对他们的运行构成了一个很大的限制，因为它说你不能把燃料密度提高到某一水平以上。”
瑞士等离子体中心与其他托卡马克团队合作，设计了一个实验，可以使用高度复杂的技术来精确控制注入托卡马克的燃料量。这些大规模的实验是在世界最大的托卡马克、欧洲联合环流器（JET）以及德国的ASDEX升级版（马克斯-普朗克研究所）和EPFL自己的TCV托卡马克进行的。这一大规模的实验努力是由欧洲核聚变联盟促成的，该联盟是协调欧洲核聚变研究的欧洲组织，EPFL现在通过德国马克斯-普朗克等离子体物理研究所参加了该联盟。