美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们确定了一种可能更高效的方法来实现融合点火，这是追求实际融合能量的一个重大里程碑。他们的计算表明，改变加热和压缩等离子体的顺序可以显著减少达到自持融合反应所需的能量。在过去的七十多年中，融合研究人员依赖一条数学规则来确定等离子体是否能保持足够的高温和高密度，从而能够在没有额外外部加热的情况下维持融合，这条规则被称为劳森标准，该方程定义了点火所需的条件。然而，它并没有解释最有效的实现方式。现在，PPPL的物理学家路易斯·德尔加多-阿帕里西奥、正之大和乔纳森·梅纳德开发了一种更为综合的标准版本。通过结合四个额外的影响融合性能的因素，他们绘制了一条有前景的点火路线，这条路线可能比其他方法需要的能量要少得多。他们的研究结果发表在《物理评论快报》期刊上。研究聚焦于等离子体，通常被称为物质的第四种状态。当气体变得如此有能量，以至于其粒子带有电荷时，就会形成等离子体。在融合反应堆中，这种极热的物质包含研究人员希望结合的原子核，通过核聚变释放能量。最终目标是产生一种燃烧等离子体，在这种等离子体中，融合反应产生足够的热量来维持过程，而不需要继续外部加热。有效达到这一状态仍然是融合能量研究中最重要的挑战之一。科学家发现了通往融合点火的捷径，德尔加多-阿帕里西奥将这一发现与找到穿越山脉的更有效路线相比较。想象一下，融合点火所需的能量要求形成了一个由高耸山峰主导的地形，目的地位于另一侧，但有几条可能的路线可以到达它。许多提议的融合策略实际上试图直接翻越这座山峰。它们首先通过增加等离子体的密度，然后提供大量热量以达到点火。新的计算表明，改变顺序可能会更高效。研究人员可以在增大密度之前先加热等离子体。这一替代路线避开了最高的能量需求，同时仍能达到所需条件。“许多公司想要正面爬上这座山，花费巨大的能量去到达，”德尔加多-阿帕里西奥说。“而是绕过山峰。你可以用更聪明的方式到达同一个地方，消耗的能量少得多。” 在融合物理中“隐藏的山口”研究人员确定了这个数学地形中特别重要的区域，称为科尔迪鞍。在地理学上，鞍是低洼的通道，位于更高的山脊之间。在融合物理中，科尔迪鞍代表了一个相对可及的点，位于需要外部加热的等离子体与能够维持自身融合反应的等离子体之间的边界。为了评估不同的路线，科学家们使用了一种称为Q的测量，比较融合反应产生的功率与供给等离子体的外部加热功率。例如，Q值为5意味着融合反应产生的功率是外部加热系统提供功率的五倍。在一个理想化的只含纯融合燃料的等离子体中，科尔迪鞍的Q值大约为5。然而，实际的融合系统要复杂得多。等离子体中的污染物和极强的磁场会改变此通道的位置，增加达到它所需的Q值。理解这些条件如何变化对于确定拟议的融合反应堆是否能够真正实现点火至关重要。为未来融合反应堆提供更现实的路线图这些发现可能会影响两种主要类型的磁性融合装置的设计：托卡马克和恒星器。这两种方法都使用强大的磁场来约束等离子体，同时将其加热到融合所需的极高温度。托卡马克的形状特征为甜甜圈形状，是未来融合电厂的主要技术之一。研究机构和私营公司正在探索几种不同的方法从融合中产生电力，并最终将该电力输送到电网。找到一条高效的点火路线可以帮助工程师设计出更实用的系统，同时避免代价高昂的错误。对于PPPL来说，这项工作是更广泛努力的一部分，旨在解决必须克服的科学和技术挑战，以便商业融合能量成为可能，...