瑞士洛桑聯邦理工學院（EPFL）的物理學家們在一個大型的歐洲合作項目中修訂了一個基本定律，該定律在過去三十多年裡一直是等離子體和聚變研究的基礎，甚至支配著ITER等大型項目的設計。該更新表明，人們實際上可以在聚變反應堆中安全地利用更多的氫燃料，從而獲得比以前認為更多的能量。

核聚變是最有前景的未來能源之一。它涉及兩個原子核合併成一個，從而釋放出巨大的能量。事實上，我們每天都在經歷核聚變：太陽的溫暖來自於氫核融合成更重的氦原子。

目前有一個名為ITER的國際核聚變研究大型項目，試圖複製太陽的核聚變過程，在地球上創造能量。其目標是產生高溫等離子體，為核聚變的發生提供合適的環境，產生能量。

等離子體–一種類似於氣體的物質電離狀態–由帶正電的原子核和帶負電的電子組成，其密度幾乎是我們呼吸的空氣的百萬分之一。質子是通過將“核聚變燃料”–氫原子–置於極高的溫度下（是太陽核心溫度的10倍），迫使電子與原子核分離而產生的。在核聚變反應堆中，這一過程發生在一個被稱為“託卡馬克”的甜甜圈狀（“環形”）結構中。

瑞士等離子體中心的Paolo Ricci說：“為了創造用於核聚變的等離子體，你必須考慮三件事：高溫、高密度的氫燃料和良好的封閉性，”該中心是位於EPFL的世界領先的核聚變研究機構之一。

在一個大型的歐洲合作項目中，Ricci的團隊現在發布了一項研究，更新了等離子體生成的一個基本原則–並表明即將到來的ITER託卡馬克實際上可以用兩倍的氫氣量運行，從而產生比以前想像的更多的聚變能量。

“在託卡馬克內製造等離子體的限制之一是你能注入的氫燃料的數量，”Ricci說。“從核聚變的早期開始，我們就知道，如果你試圖增加燃料密度，在某些時候就會出現我們所說的’破壞’–基本上你完全失去了約束，等離子體就會到處亂跑。因此，在80年代，人們試圖想出某種規律，可以預測你可以放在託卡馬克內的最大氫氣密度。”

1988年科學家有了答案，當時核聚變科學家Martin Greenwald 發表了一個著名的定律，該定律將燃料密度與託卡馬克的小半徑（“甜甜圈”內圓的半徑）以及託卡馬克內的等離子體流動的電流聯繫起來。從那時起，“Greenwald limit”就一直是聚變研究的基礎原則；事實上，ITER的託卡馬克建設戰略就是基於此。

“Greenwald根據經驗得出了這個定律，即完全來自於實驗數據–不是經過檢驗的理論，或我們稱之為’第一原理’，”Ricci解釋說。“不過，這個極限對研究來說還是很有效的。而且，在某些情況下，像DEMO（國際熱核實驗反應堆的繼任者），這個方程對他們的運行構成了一個很大的限制，因為它說你不能把燃料密度提高到某一水平以上。”

瑞士等離子體中心與其他託卡馬克團隊合作，設計了一個實驗，可以使用高度複雜的技術來精確控制注入託卡馬克的燃料量。這些大規模的實驗是在世界最大的託卡馬克、歐洲聯合環流器（JET）以及德國的ASDEX升級版（馬克斯-普朗克研究所）和EPFL自己的TCV託卡馬克進行的。這一大規模的實驗努力是由歐洲核聚變聯盟促成的，該聯盟是協調歐洲核聚變研究的歐洲組織，EPFL現在通過德國馬克斯-普朗克等離子體物理研究所參加了該聯盟。

同時，Ricci小組的博士生Maurizio Giacomin開始分析限制託卡馬克密度的物理過程，以便推導出能夠將燃料密度和託卡馬克尺寸聯繫起來的第一原理法。不過，其中一部分涉及使用計算機模型進行的等離子體的高級模擬。

“這些模擬利用了世界上一些最大的計算機，例如由CSCS、瑞士國家超級計算中心和EUROfusion提供的那些計算機，”Ricci說。“我們通過模擬發現，當你在等離子體中加入更多的燃料時，部分燃料會從託卡馬克的外部冷層，即邊界，移回其核心，因為等離子體變得更加湍急。然後，與電銅線不同，電銅線在受熱時變得更有抵抗力，等離子體在冷卻時變得更有抵抗力。因此，在相同的溫度下，你投入的燃料越多，它冷卻的部分就越多–電流在等離子體中流動就越困難，可能導致破壞。”

這對模擬來說是個挑戰。“流體中的湍流實際上是經典物理學中最重要的公開問題，”Ricci說。“但是等離子體中的湍流更加複雜，因為你還有電磁場。”

最後，Ricci和他的同事們能夠破解密碼，並推導出一個關於託卡馬克中燃料極限的新方程，該方程與實驗非常吻合。有關該方程的研究於2022年5月6日發表在《物理評論快報》雜誌上，它通過接近Greenwald極限，對其進行了公正的評價，但又對其進行了重大更新。

新方程認為，就ITER的燃料而言，“Greenwald limit”可以提高近兩倍；這意味著像ITER這樣的託卡馬克實際上可以使用近兩倍的燃料來產生等離子體而不用擔心中斷。“這很重要，因為它表明，你在託卡馬克中能夠達到的密度隨著你運行它所需要的功率而增加，”Ricci說。“實際上，DEMO將在比目前的託卡馬克和ITER高得多的功率下運行，這意味著你可以增加更多的燃料密度而不限制輸出，這與Greenwald定律相反。而這是非常好的消息。”