科技日?qǐng)?bào)記者 張佳欣

來(lái)自美國(guó)得克薩斯大學(xué)奧斯汀分校、洛斯阿拉莫斯國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和第一型能源集團(tuán)的研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)了一種更快、更準(zhǔn)確的方法來(lái)修復(fù)聚變反應(yīng)中的磁場(chǎng)缺陷，解決了尋找“仿星器”中粒子泄漏位置的難題。研究人員稱，這一進(jìn)展是設(shè)計(jì)聚變反應(yīng)堆的范式轉(zhuǎn)變，有望使研制仿星器的速度提高10倍。相關(guān)論文近期發(fā)表于《物理評(píng)論快報(bào)》雜志。

仿星器的概念于20世紀(jì)50年代提出，是一種采用環(huán)形設(shè)計(jì)的聚變反應(yīng)堆。它依靠精密的外部繞組來(lái)控制內(nèi)部產(chǎn)生的磁場(chǎng)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)等離子體和高能粒子的約束。這種約束系統(tǒng)常被描述為“磁瓶”。

阻礙聚變能源發(fā)展的一大挑戰(zhàn)在于，如何將高能粒子約束在聚變反應(yīng)堆內(nèi)。當(dāng)高能α粒子從反應(yīng)堆中泄漏時(shí)，等離子體便無(wú)法達(dá)到維持聚變反應(yīng)所需的高溫和高密度。

然而，這些磁場(chǎng)中往往存在肉眼看不見的“縫隙”，α粒子會(huì)從這些縫隙中逃逸。使用基于牛頓定律的傳統(tǒng)方法去識(shí)別磁瓶中的縫隙位置，計(jì)算量巨大且速度緩慢。此外，為了設(shè)計(jì)仿星器，工程師還需模擬和測(cè)試數(shù)百種磁線圈的變體，設(shè)計(jì)過(guò)程十分繁瑣。

為了節(jié)省時(shí)間和金錢，科學(xué)家和工程師通常會(huì)采用一種更簡(jiǎn)單的方法來(lái)確定縫隙的近似位置，即微擾理論。但這種方法準(zhǔn)確性較低，從而減緩了仿星器的開發(fā)進(jìn)程。而此次研究團(tuán)隊(duì)提出的新方法基于對(duì)稱理論，為理解該系統(tǒng)提供了全新視角。

利用新方法，團(tuán)隊(duì)或能更準(zhǔn)確地繪制出粒子的潛在泄漏點(diǎn)，這為提高反應(yīng)堆的安全性和效率提供了有力工具。團(tuán)隊(duì)表示，盡管磁聚變?cè)O(shè)計(jì)仍存在其他重大挑戰(zhàn)，但這一進(jìn)展解決了自70多年前首次提出仿星器以來(lái)就有的最大難題。

值得一提的是，這種新方法還有助于解決另一種流行的磁約束聚變反應(yīng)堆設(shè)計(jì)，即托卡馬克中一個(gè)類似但不同的問(wèn)題。托卡馬克設(shè)計(jì)中存在失控電子的問(wèn)題，高能電子可能在周圍的墻壁上打出空洞。這種新方法可以幫助識(shí)別磁場(chǎng)中這些電子可能泄漏的縫隙。