托卡馬克核聚變環(huán)裝置
長期以來，有一神奇的現(xiàn)象導(dǎo)致研究人員無法實(shí)現(xiàn)可控自持續(xù)核聚變反應(yīng)。然而，最近美國物理學(xué)家表示，他們可能找到了解決該謎團(tuán)的途徑。研究人員認(rèn)為，如果新提出的解決方式被實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證是正確的話，那么將幫助人們消除核聚變發(fā)展的一個(gè)主要障礙，使核聚變成為清潔且豐富的電力來源。
核聚變遭難題
美國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)。科學(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加熱島嶼內(nèi)的等離子體。當(dāng)從島嶼中溢出的能量超過人們能夠通過歐姆加熱過程為等離子體添加的能量時(shí)，平衡被打破。當(dāng)島嶼生長到足夠大時(shí)，用于幫助加熱和束縛等離子體加熱的電流出現(xiàn)崩潰，等離子體四散開來。
大衛(wèi)·蓋茨是美國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、來自麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)核聚變中心的訪問學(xué)者路易斯·德爾嘎多-阿帕瑞奇歐共同提出了解決核聚變“熱密度界限”問題的方案。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
蓋茨稱他們偶然發(fā)現(xiàn)的理論為“10分鐘‘啊哈’時(shí)刻”。通過將注意力放在等離子體中的島嶼和帶走能量的雜質(zhì)，他們在辦公室白板上推算出了對應(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。德爾嘎多-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“格林沃德界限”。對出現(xiàn)“熱密度界限”的原因，格林沃德有著自己的解釋，他認(rèn)為，當(dāng)湍流出現(xiàn)能引起等離子體邊緣冷卻并將過多離子擠壓進(jìn)等離子體核心狹小空間的起伏時(shí)，就會出現(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。蓋茨和德爾嘎多-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。
蓋茨和德爾嘎多-阿帕瑞奇歐將過去數(shù)十年中人們掌握的線索整合起來建立了他們的研究模型。蓋茨本人是1993年在位于英國阿賓頓的卡爾漢姆核聚變能源中心做博士后研究時(shí)首次聽說“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·胡吉爾命名，胡吉爾向蓋茨詳細(xì)地介紹了“熱密度界限”。