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研究发现新定律：核聚变将产出更多能量

呈甜甜圈形状的托卡马克式核聚变炉内部，以悬浮的火焰示意参与核聚变的离子体。（Shutterstock）

一个欧洲研究组从试验和理论分析同时证明了利用核聚变炉进行安全反应能够加入的氢核燃料的上限，达到以前认知的近两倍。这意味着将来核聚变设施的产能也比以前理论认为的高得多。

核聚变反应可以捕获在两个原子核合并过程中所释放的巨大能量。太阳内部每天都在进行这种反应——把较轻的氢原子核聚合成氦原子，为地球提供巨大的能量。

普通的氢原子由带正电原子核与带负电的电子组成，达到一个电荷平衡的状态。要使原子核与电子分离以创造原子核聚合的环境，必须有一定的条件，比如需要像太阳内部那样的高温。现在普遍使用的托卡马克（Tokamak）核聚变炉就是一种能创造这种环境的，像甜甜圈形状的设备。

托卡马克炉创造可达太阳内部温度十倍的高温环境，促使带正电的原子核与带负电的电子分离，形成电离状态的等离子体。等离子体是物质的形态之一，类似气体，密度大约只有人们所呼吸的空气的百万分之一。

研究者之一瑞士等离子体中心（Swiss Plasma Center）的保罗·里奇（Paolo Ricci）说：“为了造出用于核聚变的等离子体，要考虑三个条件：高温、高密度氢燃料和良好的控制。”

所谓高密度氢燃料指的是，注入的氢燃料越多，聚合产出的能量越大，但是各种条件之间存在一些制衡因素。比如，所能注入的氢燃料有一定上限，达到某个临界点，等离子会出现“瓦解”（disruption）状态而不再受控。1988年科学家马丁·格林沃尔德（Martin Greenwald）总结了一条定律，描述了氢燃料密度、托卡马克炉内环的半径和炉内电流之间的关系。自那以后，这条定律被称为“格林沃尔德限制”（Greenwald limit）。所有的核聚变研究设施都是遵循这条规律而建造的。

里奇说，格林沃尔德根据试验数据总结了这条规律，并没有给出理论证明。当然，这条规律很管用，像法国的托卡马克炉项目ITER的新一代版本DEMO，仍然遵循这一规律。里奇说：“这条规律对各种实验是很大的限制，因为它的意思是，核燃料的密度不能超过某个特定的水平。”

然而这份新研究从实验和理论分析同时证明，托卡马克炉内的氢燃料密度可以进一步增加，核产能也会提升。

瑞士等离子体中心设计了一个实验，能够准确地控制投入托卡马克炉内核燃料的量。他们在多个知名的托卡马克炉设施都进行了实验，包括英国牛津郡卡勒姆核聚变中心（Culham Centre for Fusion Energy）的欧洲联合环状反应炉（Joint European Torus，缩写为JET）、德国的ASDEX升级版和瑞士洛桑联邦理工大学（EPFL）的TCV。

与此同时，研究组利用先进的电脑模型分析等离子在托卡马克炉内的反应情况，寻找燃料密度与托卡马克炉规模之间的关系。

里奇说，他们发现向炉内的等离子体加入更多燃料的时候，等离子体会更加动荡，从而使得新加入的部分燃料会从温度较低的外层移到高温的核心。“通电的铜线升温时电阻升高，而等离子不是这样，降温时电阻升高。因此，同等温度下加入的燃料越多，降温的区域越多，导致等离子体瓦解的因素——等离子体内电流流动的难度越大。”

最后，研究人员总结出这些条件之间新的公式。研究称从电脑模型分析得出的新规律与实验结果一致。按照这个新的规律，ITER可投入的燃料量可以增加到现在水平的近两倍。

这份研究5月6日发表于《物理评论快报》（Physical Review Letters）。