由于格林沃尔德定律的修改，聚变反应堆可以产生更多的能量。

TCV 的环形聚变室包含强大磁场中的过热氢等离子体，以防止其损坏墙壁。 （图片来源：Alain Herzog / EPFL）

由于开创性的新研究发现此类反应堆的基本定律是错误的，托卡马克内部未来的聚变反应可能会产生比以前想象的更多的能量。

这项由洛桑联邦理工学院 (EFPL) 瑞士等离子体中心的物理学家领导的研究确定，最大氢燃料密度约为“格林沃尔德极限”的两倍——这一估计来自 30 多年前的实验。

聚变反应堆实际上可以在远高于格林沃尔德极限的氢等离子体密度下工作的发现将影响正在法国南部建造的大型 ITER 托卡马克装置的运行，并极大地影响 ITER 继任者的设计，称为 瑞士等离子中心的物理学家 Paolo Ricci 说，示范发电厂 (DEMO) 聚变反应堆。

“确切的值取决于功率，”Ricci 说。 “但粗略估计，ITER 的增幅约为两倍。”

Ricci 是该研究项目的领导者之一，该项目将理论工作与欧洲三个不同聚变反应堆大约一年的实验结果相结合——EPFL 的托卡马克 à 配置变量 (TCV)、欧洲联合 英国 Culham 的 Torus (JET) 和位于德国 Garching 的 Max Planck Institute for Plasma Physics 的轴对称偏流器实验 (ASDEX) 升级托卡马克。

他还是 5 月 6 日发表在《物理评论快报》杂志上的一项关于这一发现的研究的主要作者之一。

未来融合

环形托卡马克是核聚变反应堆最有前途的设计之一，有朝一日可用于为电网发电。

科学家们已经工作了 50 多年，以使受控聚变成为现实。 与核裂变不同，核裂变通过粉碎非常大的原子核产生能量，核聚变可以通过将非常小的原子核连接在一起产生更多的能量。

聚变过程产生的放射性废物比裂变少得多，而且它用作燃料的富含中子的氢相对容易获得。

同样的过程为太阳等恒星提供能量，这就是为什么可控聚变被比作“罐子里的星星”； 但是由于恒星中心的高压在地球上是不可行的，所以这里的聚变反应需要比太阳更热的温度才能运行。

位于瑞士洛桑的实验性 TCV 托卡马克装置用于测试将用作未来聚变反应堆燃料的氢等离子体的行为。 （图片来源：Curdin Wüthrich/SPC/EPFL）

例如，TCV 托卡马克内部的温度可能超过 2.16 亿华氏度（1.2 亿摄氏度）——几乎是太阳聚变核心温度的 10 倍，大约为 2700 万华氏度（1500 万摄氏度）。

据 Live Science 此前报道，一些聚变发电项目现在处于后期阶段，一些研究人员认为，第一个为电网发电的托卡马克装置可能会在 2030 年投入使用。

全球 30 多个政府也在资助 ITER 托卡马克装置（“Iter”在拉丁语中意为“道路”），该装置将于 2025 年生产出第一批实验等离子体。

然而，ITER 的设计目的不是发电。 但基于 ITER 的托卡马克装置（称为 DEMO 反应堆）目前正在设计中，并可能在 2051 年投入使用。

等离子问题

新计算的核心是格林沃尔德极限，以麻省理工学院物理学家马丁格林沃尔德的名字命名，他在 1988 年确定了这个极限。

研究人员试图找出为什么当他们将燃料密度增加到超过某个点时，他们的聚变等离子体实际上变得无法控制（它们在托卡马克室内所包含的磁场之外扩展），格林沃尔德根据托卡马克的实验得出了一个实验极限 小半径（甜甜圈内圆的大小）和通过等离子体的电流量。

里奇说，尽管科学家们长期以来一直怀疑格林沃尔德极限可以改进，但 30 多年来，它一直是聚变研究的基本规则。 例如，它是 ITER 设计的指导原则。

一个高大的电磁铁——中央螺线管——是 ITER 托卡马克的核心。 它既启动等离子体电流，又在操作期间驱动和塑造等离子体。 （图片来源：美国 ITER）

然而，最新的研究扩展了格林沃尔德用来推导他的极限的实验和理论，导致燃料密度极限更高，这将增加 ITER 的容量并影响其后的 DEMO 反应堆的设计， 他说。

他说，关键是发现等离子体可以随着聚变反应的功率输出增加而维持更大的燃料密度。

Ricci 说，目前尚不可能知道燃料密度如此大的增加将如何影响托卡马克的功率输出，但这可能很重要。 研究表明，更高的燃料密度将使聚变反应堆更易于操作。

“它使安全、可持续的聚变条件更容易实现，”他说。 “它可以让你达到你想要的状态，从而使聚变反应堆能够正常工作。”