我們都知道，核聚變能以等離子體的形式結合輕元素，并釋放大量的能量。在地球上創造并控制核聚變，從而帶來幾乎取之不盡的安全、清潔的無碳能源，是許多科研人員的終極目標。

然而在核聚變實驗研究的歷程中，十幾年前的一個有關核聚變的悖論讓普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)的科學家感到震驚和困惑。

簡單來說，他們在核聚變設施國家球形環面實驗(National Spherical Torus Experiment，NSTX)中發現，向實驗裝置輸送的熱量越多，中心溫度上升的幅度卻越小了。為什么會發生這種情況?這成了一大謎團。

2009年拍攝的NSTX外觀。(圖/PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory)

直到近期，PPPL科學家根據理論和計算模擬，提出了關于這個謎團新的解釋。論文已經發表在《物理評論快報》上。

實驗中的謎團

托卡馬克是目前核聚變實驗中最常見的一類裝置，它們大多呈甜甜圈的形狀，也就是傳統的環形托卡馬克。

而球形托卡馬克是傳統托卡馬克的一種衍生產物。和“甜甜圈”形狀的傳統裝置相比，球形裝置的整體形狀更像一顆“帶芯的蘋果”。球形裝置能產生具有高性價比的磁場，因此也成為試驗性聚變電站模型的候選之一。

NSTX就是一個基于球形托卡馬克的著名核聚變實驗設施，它于1999年投入使用，并于2012年關閉升級，成為NSTX-U。

NSTX示意圖。(圖/PPPL Princeton Plasma Physics Laboratory)

通常情況下，用常理推測來說，實驗中輸入的功率越大，溫度自然應該就越高。但十幾年前，NSTX中卻觀察到了令人困惑的等離子體行為。隨著輸入的熱量不斷增加，中心溫度的曲線卻開始變得平緩，換言之，溫度上升的幅度變小了。一直以來，許多物理學家一直在研究這種現象背后的原因。

模擬發現的機制

在新研究中，研究人員利用過去NSTX的數據開發了計算機代碼。他們模擬了過去在NSTX上進行的實驗，得出的結果在很大程度上與實驗結果一致。

通過高分辨率計算機模擬，團隊詳細展示了會導致溫度保持不變甚至降低的因素。他們發現，增加功率的同時會導致等離子體中某些位置的壓強升高，當達到某個臨界點時，壓強就會開始破壞嵌套磁表面，這其實就是溫度不再繼續上升的直接原因。

這些表面由環繞托卡馬克的磁場形成來限制等離子體，而這種破壞則會讓等離子體變得不穩定，破壞使等離子體內部電子的溫度升高變得平緩，從而讓熾熱的帶電氣體中心的溫度無法上升到核聚變相關的水平。

球形托卡馬克的特殊性

研究人員認為，這種發現的機制應該在球形托卡馬克中普遍存在，揭開這一謎團的機制應該能幫助世界各地的核聚變實驗研究。

這一結果也在提醒科學家，在設計和實際操作球形托卡馬克實驗時，必須注意確保等離子體壓強在設施的某些位置不超過特定的臨界值。而使用計算機模擬，可以幫助有效地量化這些數值。

研究人員正在繼續詳細研究整個過程，進一步了解磁表面破壞的細節。他們還注意到，相比于傳統的環形托卡馬克，球形托卡馬克中似乎更容易出現這種現象，這背后的原因也是科學家進一步研究的重點之一。