新劳森判据优化聚变点火

Princeton Plasma Physics Laboratory的研究人员重新表述了聚变等离子体点火并维持燃烧的判据。他们的计算指出了一条提高这一过程能源效率的路径，同时也展示了可能增加点火难度的因素所产生的影响，例如等离子体中含有少量钨。

情况发生变化：劳森判据最早形成于20世纪50年代，是用于评估聚变系统能否产生净能量的方程。如今，PPPL物理学家Luis Delgado-Aparicio、Masayuki Ono和Jonathan Menard在Physical Review Letters上发表论文，重新表述了这一判据，并纳入更多条件，从而更全面地从理论上认识等离子体行为。

PPPL表示，这篇论文的优势在于，“它将多种效应同时纳入一个模型。以往研究每次只处理一种效应。”

该模型纳入了可能在等离子体中积聚的氦灰和钨杂质，以及同步辐射和通常随温度升高而增加的热损失。

“如果不考虑这些效应，你会认为这一设计能够顺利运行，”Ono说，“而将它们纳入后，情况就会发生变化，而且这种变化相当重要。”

劳森判据通常表示为一个固定值，但考虑这些因素后，点火就变成了一个需要探索的多维空间，以便在规划聚变能源系统内加热等离子体并为其提供能量的最佳过程时加以权衡。

Delgado-Aparicio表示，这一结果就像是在山脉中寻找最高效的通行路线。如果点火是一座高山的顶峰，那么这些计算表明，与直接攀登顶峰相比，存在一条更容易到达山顶的路径，而目前许多聚变项目计划采用的正是直接攀登方式。

“许多公司希望迎着山峰正面攀登，并耗费巨量能量抵达那里，”他说，“不妨绕过峰顶。这样能以聪明得多的方式到达同一个地方，而且消耗的能量少得多。”

一条新路线：具体而言，许多聚变技术开发商计划先提高等离子体密度，再对其加热；但PPPL的计算表明，颠倒这一操作顺序更为有利，即先加热等离子体，待其升温后再提高密度。

Ono表示，其目标是为该领域提供一个共享且更为现实的模型，以便在聚变设计建成之前对其进行评判。

“聚变实验耗资巨大，因此你不会希望犯下那些本可提前发现的错误，”他说。

这项研究可能改变托卡马克和仿星器的设计与建造方式。

值得注意的是，计算表明，等离子体中的钨含量即使仅为万分之一，也可能使达到点火所需的压力增至约两倍。

论文还指出了降低点火难度的方法。液态锂涂层壁可阻止钨进入等离子体，同时改善热量保持；自旋极化燃料则通过在燃料原子核发生聚变前使其定向排列，提高聚变反应速率。

“尽管还需要开展更多研究，但这些结果令我们感到振奋，并表明了该领域未来研究的一条明确前进路径，”Menard说。