揭开核聚变实验中的一大谜团

我们都知道，核聚变能以等离子体的形式结合轻元素，并释放大量的能量。在地球上创造并控制核聚变，从而带来几乎取之不尽的安全、清洁的无碳能源，是许多科研人员的终极目标。

然而在核聚变实验研究的历程中，十几年前的一个有关核聚变的悖论让普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家感到震惊和困惑。

简单来说，他们在核聚变设施国家球形环面实验（National Spherical Torus Experiment，NSTX）中发现，向实验装置输送的热量越多，中心温度上升的幅度却越小了。为什么会发生这种情况？这成了一大谜团。

2009 年拍摄的 NSTX 外观。（图／PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory）

直到近期，PPPL 科学家根据理论和计算模拟，提出了关于这个谜团新的解释。论文已经发表在《物理评论快报》上。

实验中的谜团

托卡马克是目前核聚变实验中最常见的一类装置，它们大多呈甜甜圈的形状，也就是传统的环形托卡马克。

而球形托卡马克是传统托卡马克的一种衍生产物。和 " 甜甜圈 " 形状的传统装置相比，球形装置的整体形状更像一颗 " 带芯的苹果 "。球形装置能产生具有高性价比的磁场，因此也成为试验性聚变电站模型的候选之一。

NSTX 就是一个基于球形托卡马克的著名核聚变实验设施，它于 1999 年投入使用，并于 2012 年关闭升级，成为 NSTX-U。

NSTX 示意图。（图／PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory）

通常情况下，用常理推测来说，实验中输入的功率越大，温度自然应该就越高。但十几年前，NSTX 中却观察到了令人困惑的等离子体行为。随着输入的热量不断增加，中心温度的曲线却开始变得平缓，换言之，温度上升的幅度变小了。一直以来，许多物理学家一直在研究这种现象背后的原因。

模拟发现的机制

在新研究中，研究人员利用过去 NSTX 的数据开发了计算机代码。他们模拟了过去在 NSTX 上进行的实验，得出的结果在很大程度上与实验结果一致。

通过高分辨率计算机模拟，团队详细展示了会导致温度保持不变甚至降低的因素。他们发现，增加功率的同时会导致等离子体中某些位置的压强升高，当达到某个临界点时，压强就会开始破坏嵌套磁表面，这其实就是温度不再继续上升的直接原因。

这些表面由环绕托卡马克的磁场形成来限制等离子体，而这种破坏则会让等离子体变得不稳定，破坏使等离子体内部电子的温度升高变得平缓，从而让炽热的带电气体中心的温度无法上升到核聚变相关的水平。

球形托卡马克的特殊性

研究人员认为，这种发现的机制应该在球形托卡马克中普遍存在，揭开这一谜团的机制应该能帮助世界各地的核聚变实验研究。

这一结果也在提醒科学家，在设计和实际操作球形托卡马克实验时，必须注意确保等离子体压强在设施的某些位置不超过特定的临界值。而使用计算机模拟，可以帮助有效地量化这些数值。

研究人员正在继续详细研究整个过程，进一步了解磁表面破坏的细节。他们还注意到，相比于传统的环形托卡马克，球形托卡马克中似乎更容易出现这种现象，这背后的原因也是科学家进一步研究的重点之一。