托卡馬克核聚變環(huán)裝置
長期以來，有一神奇的現(xiàn)象導致研究人員無法實現(xiàn)可控自持續(xù)核聚變反應。然而，最近美國物理學家表示，他們可能找到了解決該謎團的途徑。研究人員認為，如果新提出的解決方式被實驗驗證是正確的話，那么將幫助人們消除核聚變發(fā)展的一個主要障礙，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驗室的科學家在一項深入分析中，將目標鎖定于核聚變實驗中高溫帶電氣體——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)?？茖W家認為，正是這些島嶼構成了人們熟悉的“熱密度界限”問題的基礎，它阻礙了核聚變反應堆最高效運行。
當?shù)入x子體的溫度和密度足夠高時，包含在其中的原子核結合并釋放出能量，形成了人們所說的核聚變。然而，在托卡馬克環(huán)實驗反應堆中的等離子體達到神秘的“熱密度界限”時，等離子體能旋轉形成閃光，溫度下降。
科學家認為，等離子體中出現(xiàn)眾多島嶼帶來了雙重破壞。除了導致等離子體溫度下降外，這些島嶼還如同防護罩那樣阻止更多的能量來加熱島嶼內(nèi)的等離子體。當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，平衡被打破。當島嶼生長到足夠大時，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驗室的物理學家，他和實驗室博士后研究員、來自麻省理工學院等離子體科學核聚變中心的訪問學者路易斯·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到更高的熱密度，這點十分關鍵，因為熱密度是實現(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的方程式。雜質(zhì)源于等離子體沖擊托卡馬克環(huán)壁時產(chǎn)生的粒子。德爾嘎多-阿帕瑞奇歐表示，當?shù)入x子體的密度達到神秘的“熱密度界限”時，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。
麻省理工學院物理學家馬丁·格林沃德推導出描述“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，他認為，當湍流出現(xiàn)能引起等離子體邊緣冷卻并將過多離子擠壓進等離子體核心狹小空間的起伏時，就會出現(xiàn)“熱密度界限”，導致電流不穩(wěn)定和崩潰。他表示，有相當多的證據(jù)能夠驗證他的觀點，但同時他承認其觀點也有不足之處，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家簡·胡吉爾命名，胡吉爾向蓋茨詳細地介紹了“熱密度界限”。