近日，來自德克薩斯大學奧斯汀分校、洛斯阿拉莫斯國家實驗室和一型能源集團(Type One Energy Group)的研究小組取得重要進展，為聚變能的發展帶來新希望。若科學家和工程師能成功研發出可靠方法產生并維持聚變能，豐富、低成本且清潔的能源將更接近現實，而該團隊此次解決了聚變能領域長期存在的一大難題。

在聚變能研究中，如何將高能粒子限制在聚變反應堆內是一大關鍵挑戰。當高能α粒子從反應堆泄漏時，會使等離子體難以達到維持聚變反應所需的溫度和密度。為防止粒子泄漏，工程師設計了精密的磁約束系統，但磁場中常出現空洞，預測并消除這些空洞需耗費大量計算時間。

研究團隊在發表于《物理評論快報》的論文中介紹，他們發現了一種設計防泄漏磁約束系統的捷徑。該方法能讓工程師以比傳統黃金標準方法快10倍的速度完成設計，且精度不受影響。盡管磁聚變設計仍面臨其他重大挑戰，但這一進展解決了仿星器這種自20世紀50年代首次提出以來就特有的最大難題。

仿星器利用外部線圈傳輸電流產生磁場，以此約束等離子體和高能粒子，其約束系統常被稱為“磁瓶”。此前，確定磁瓶中孔的位置有一種精確方法，即利用牛頓運動定律，但該方法計算耗時巨大。更棘手的是，設計仿星器時，科學家可能需要模擬數百或數千種略有不同的設計，調整磁線圈布局并迭代消除孔洞，整個過程計算量驚人。

為節省時間和成本，科學家和工程師通常采用更簡單的微擾理論來近似計算孔洞位置，但該方法準確性較低，嚴重減緩了仿星器的研發進程。而此次研究團隊提出的新方法基于對稱理論，為理解該系統提供了全新視角。

論文第一作者、德克薩斯大學物理學助理教授喬希·伯比(Josh Burby)表示：“最令人興奮的是，我們正在解決一個近70年來一直懸而未決的問題。這是我們設計這些反應堆的范式轉變。”他還稱：“目前，如果沒有我們的研究成果，就沒有任何切實可行的方法能夠找到α粒子約束問題的理論答案。直接應用牛頓定律成本太高，微擾法容易犯下嚴重錯誤，我們的理論是第一個規避這些陷阱的理論。”

值得一提的是，這種新方法不僅對仿星器設計意義重大，還可助力解決另一種主流磁聚變反應堆設計——托卡馬克中類似但不同的問題。托卡馬克設計中存在逃逸電子問題，高能電子會在周圍壁上打出孔洞，新方法能幫助識別磁場中可能泄漏這些電子的空洞。

喬希·伯比的合著者包括德克薩斯州立大學博士后研究員馬克斯·魯思(Max Ruth)和研究生伊萬·馬爾多納多(Ivan Maldonado)，其他作者還有洛斯阿拉莫斯博士后研究員丹·梅森杰(Dan Messenger)，以及計劃建造用于發電仿星器的一型能源集團的計算科學家兼數據科學家利奧波爾多·卡巴哈爾(Leopoldo Carbajal)。

據悉，這項研究工作得到了美國能源部的支持。未來，隨著相關技術的進一步發展，聚變能有望為人類提供更為清潔、高效的能源解決方案。