未来最有前途的能源之一：等离子体和聚变

EPFL的物理学家在欧洲的一次大型合作中，修订了三十多年来一直是等离子体和聚变研究基础的基本定律之一，甚至管理着ITER等大型项目的设计。更新表明，我们实际上可以在聚变反应堆中安全地利用更多的氢燃料，从而获得比以前想象的更多的能量。

聚变是未来最有前途的能源之一。它涉及两个原子核合并为一个，从而释放出大量的能量。事实上，我们每天都在经历核聚变：太阳的温暖来自氢原子核融合成更重的氦原子。

目前有一个名为ITER的国际聚变研究大型项目，旨在复制太阳的聚变过程，以在地球上产生能量。它的目标是产生高温等离子体，为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的电离状态 - 由带正电的原子核和带负电的电子组成，密度几乎比我们呼吸的空气低一百万倍。等离子体是通过将“聚变燃料”（氢原子）置于极高的温度（太阳核心的10倍）下而产生的，迫使电子与它们的原子核分离。在聚变反应堆中，该过程发生在称为“托卡马克”的甜甜圈形（“环形”）结构内。

瑞士等离子体中心的托卡马克热核聚变反应堆。图片来源：Alain Herzog （EPFL）

“为了创造用于聚变的等离子体，你必须考虑三件事：高温，高密度的氢燃料和良好的约束，”瑞士等离子体中心的Paolo Ricci说，该中心是位于洛桑联邦理工学院（EPFL）的世界领先的聚变研究机构之一。

Ricci的团队在欧洲的一个大型合作中工作，现在已经发布了一项研究，更新了等离子体生成的基本原则 - 并表明即将推出的ITER托卡马克实际上可以用两倍的氢气运行，因此产生比以前想象的更多的聚变能。

“在托卡马克内制造等离子体的局限性之一是你可以注入其中的氢燃料量，”Ricci说。“自聚变的早期以来，我们已经知道，如果你试图增加燃料密度，在某个时候会出现我们所说的'破坏'——基本上你完全失去了限制，等离子体就会消失在任何地方。因此，在八十年代，人们试图提出某种定律，可以预测可以放入托卡马克内部的最大氢密度。

1988年，聚变科学家马丁·格林沃尔德（Martin Greenwald）发表了一条著名的定律，将燃料密度与托卡马克的次要半径（甜甜圈内圈的半径）和在托卡马克内部等离子体中流动的电流相关联。从那时起，“格林沃尔德极限”一直是聚变研究的基本原则。事实上，ITER的托卡马克建设战略就是基于此。

“格林沃尔德根据经验推导出定律，这完全来自实验数据 - 而不是经过测试的理论，或者我们称之为'第一原理'，”里奇解释说。“尽管如此，这个限制对于研究来说还是相当不错的。而且，在某些情况下，如DEMO（ITER的继任者），这个方程构成了对其操作的很大限制，因为它说你不能将燃料密度提高到一定水平以上。

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喷射到托卡马克中的燃料量。大规模的实验是在世界上最大的托卡马克，英国的欧洲联合环面（JET）以及德国的ASDEX升级（马克斯普朗克研究所）和EPFL自己的TCV托卡马克进行的。这一大规模的实验工作是由EUROfusion Consortium实现的，EUROfusion Consortium是协调欧洲聚变研究的欧洲组织，EPFL现在通过德国的马克斯普朗克等离子体物理研究所参与其中。

与此同时，利玛窦小组的博士生毛里齐奥·贾科明（Maurizio Giacomin）开始分析限制托卡马克密度的物理过程，以推导出一个可以将燃料密度和托卡马克尺寸相关联的第一性原理定律。其中一部分涉及使用计算机模型进行等离子体的高级模拟。

“这些模拟利用了世界上一些最大的计算机，例如CSCS，瑞士国家超级计算中心和EUROfusion提供的计算机，”Ricci说。“通过我们的模拟，我们发现，当你向等离子体中添加更多的燃料时，它的一部分从托卡马克的外部冷层（边界）移回其核心，因为等离子体变得更加湍流。然后，与电铜线不同，电铜线在加热时变得更耐腐蚀，等离子体在冷却时变得更耐受。因此，在相同温度下放入其中的燃料越多，冷却下来的部分就越多 - 并且电流在等离子体中流动就越困难，可能导致中断。

这很难模拟。“流体中的湍流实际上是经典物理学中最重要的开放问题，”利玛窦说。“但等离子体中的湍流甚至更复杂，因为你也有电磁场。

最后，Ricci和他的同事们能够破解代码，并将“笔放在纸上”来推导出托卡马克燃料限制的新方程，这与实验非常吻合。它发表在2022年5月6日的《物理评论快报》杂志上，通过接近格林沃尔德，它达到了格林沃尔德的极限，但以重要的方式更新了它。

新方程假设格林沃尔德极限在ITER中的燃料方面几乎可以提高两倍;这意味着像ITER这样的托卡马克实际上可以使用几乎两倍的燃料来生产等离子体，而不必担心中断。“这很重要，因为它表明，托卡马克可以达到的密度随着运行它所需的功率而增加，”Ricci说。“实际上，DEMO将以比现在的托卡马克和ITER更高的功率运行，这意味着您可以在不限制输出的情况下添加更多的燃料密度，这与格林沃尔德定律相反。这是个非常好的消息。

参考：M. Giacomin，A. Pau，P. Ricci，O. Sauter，T. Eich，ASDEX升级团队，JET贡献者和TCV团队的“托卡马克克的第一原理密度极限缩放及其对ITER的影响”，2022年5月6日，物理评论快报。
DOI：
10.1103/PhysRevLett.128.185003

贡献者名单

• 洛桑联邦理工学院瑞士血浆中心
• 马克斯-普朗克等离子体物理研究所
• 洛桑联邦理工学院TCV团队
• 亚速升级团队
• JET 贡献者