科学家们开发了一种强大的新技术，以克服核聚变能源领域的一个主要障碍：在聚变反应堆内精确约束高能粒子的能力。

研究人员采用对称理论，摒弃了更为缓慢且可靠性较低的传统方法，从而找到了捷径，使得防泄漏磁系统的设计速度提高了十倍。

核聚变能源突破距成为现实更近一步

实现充足、廉价且清洁的核聚变能源的梦想刚刚取得了重大进展。来自德克萨斯大学奥斯汀分校、洛斯阿拉莫斯国家实验室和一号能源集团的一群科学家取得了重大突破，这一突破可能会加快实现实用核聚变能源的步伐。

核聚变能源面临的最大障碍之一是弄清楚如何将这些高能粒子困在核聚变反应堆内部。这些被称为α粒子的粒子往往会泄漏出来，导致等离子体无法保持足够高的温度和密度来维持核聚变反应。工程师们利用强大的磁场来约束等离子体，但找出并修复这些磁场中的漏洞需要巨大的计算能力和时间。

托卡马克装置的10倍速解决方案

如今，该团队已发现一种捷径，相关成果已发表于《物理评论快报》。他们提出的新方法可使工程师设计磁约束系统的速度提高10倍（尤其适用于一种名为恒星器的反应堆），且不会降低准确性。这对聚变研究而言是一次巨大的飞跃。

“最激动人心的是，我们正在解决一个近70年来一直悬而未决的问题，”论文第一作者、UT物理学助理教授乔希·伯比说。“这改变了我们设计这些反应堆的方式。”

磁瓶设计的复杂性

恒星器利用携带产生磁场的电流的外部线圈来约束等离子体和高能粒子。这一约束系统通常被描述为“磁瓶”。

利用牛顿运动定律可以确定磁瓶中空洞的位置，这种方法非常精确，但需要大量的计算时间。更糟糕的是，为了设计恒星器，科学家可能需要模拟数百或数千个略有不同的设计，调整磁线圈的布局并进行迭代以消除空洞——这一过程除了需要上述大量的计算外，还需要大量的计算资源。

对称理论：一种颠覆性的方法

因此，为了节省时间和金钱，科学家和工程师通常使用一种更简单的方法来近似确定空洞的位置，这种方法称为摄动理论。但这种方法的精确度要低得多，从而减缓了恒星器的发展。新方法依赖于对称理论，这是一种理解该系统的不同方式。

伯比（Burby）说：“如果没有我们的研究结果，目前就没有切实可行的方法找到阿尔法粒子约束问题的理论答案。直接应用牛顿定律成本太高。摄动法会犯严重错误。我们的理论是首个规避这些陷阱的理论。”

除了仿星器：亦助力托卡马克设计

这一新方法同样有助于解决另一种流行的磁聚变反应堆设计（称为托卡马克）中所存在的一个类似但不同的问题。在该设计中，存在逃逸电子问题——逃逸电子即高能电子，它们会在周围墙壁上打出孔洞。这一新方法有助于确定磁场中可能出现电子泄漏的孔洞。

参考文献：“J. W. 伯比、I. A. 马尔多纳多、M. 鲁斯、D. A. 梅森杰和L. 卡尔瓦哈尔于2025年4月30日在《物理评论快报》上发表的《磁化等离子体的非微扰导引中心模型》”。DOI：10.1103/PhysRevLett.134.175101

来自德克萨斯大学（UT）的伯比（Burby）的合著者包括博士后研究员马克斯·鲁斯（Max Ruth）和研究生伊万·马尔多纳多（Ivan Maldonado）。其他作者包括洛斯阿拉莫斯国家实验室（Los Alamos）的博士后研究员丹·梅森哲（Dan Messenger）以及Type One Energy Group公司的计算科学家和数据科学家利奥波尔多·卡尔瓦哈尔（Leopoldo Carbajal），该公司计划建造恒星器用于发电。

本研究得到了美国能源部的支持。

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