科學家找出新方法，破解 70 年來核融合裝置設計難題

可控核融合技術尚未正式問世的原因很多，不過最近可能離進入現實更近一步了，來自德克薩斯大學奧斯汀分校、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、Type One Energy 公司的研究人員宣布破解 70 年來仿星器裝置設計難題，開發一種強大新方法，能帶來更快、更精確的核融合反應爐設計。

人類實現可控核融合能源面臨的最大技術障礙之一，是如何將高能粒子穩定困在核融合反應爐內。以使用外部線圈產生複雜磁場的仿星器（Stellarator）為例，這種核融合裝置原意是利用環形磁場將電漿約束在反應器內部，形成所謂的「磁瓶」，然而核融合反應產生的 α 粒子軌跡並不總符合標準場模型假設，當高能粒子試圖逃離，會導致電漿溫度與密度不足以維持核融合反應。

而工程師精心設計的磁約束系統通常存在難以定位的「洞」，需投入大量運算時間預測洞位置並消除它們以防止高能 α 粒子洩漏。

糟糕的是，傳統建模依賴牛頓動力學，這種動力學非常精確，但可能需模擬數百或數千種不同設計，調整磁線圈佈局並反覆改進才能消除磁場的洞，運算成本很高。為了節省時間和金錢，科學家一般依靠微擾理論（perturbation theory）建立洞的近似位置，計算速度快，但準確性降低許多，反應爐設計表現也不佳。

直到最近，來自德克薩斯大學奧斯汀分校、洛斯阿拉莫斯國家實驗室、Type One Energy 公司的研究人員提出另一種依賴對稱理論（symmetry theory）的新方法，無需進行詳盡計算就能準確預測磁場間隙，將仿星器磁約束系統設計過程加快 10 倍，同時又不影響設計精度，一舉解決仿星器 70 多年來面臨的最大挑戰。

除了破解仿星器設計關卡障礙，新方法也能幫助改善托卡馬克裝置設計——另外一種磁約束核融合裝置。在托卡馬克裝置內，常見失控電子損壞反應器壁的問題，新方法能精確定位這些電子潛在逃逸路線，為核融合技術開展新道路。

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（首圖來源：shutterstock）