近日，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型能源集团(Type One Energy Group)的研究小组取得重要进展，为聚变能的发展带来新希望。若科学家和工程师能成功研发出可靠方法产生并维持聚变能，丰富、低成本且清洁的能源将更接近现实，而该团队此次解决了聚变能领域长期存在的一大难题。
在聚变能研究中，如何将高能粒子限制在聚变反应堆内是一大关键挑战。当高能α粒子从反应堆泄漏时，会使等离子体难以达到维持聚变反应所需的温度和密度。为防止粒子泄漏，工程师设计了精密的磁约束系统，但磁场中常出现空洞，预测并消除这些空洞需耗费大量计算时间。
研究团队在发表于《物理评论快报》的论文中介绍，他们发现了一种设计防泄漏磁约束系统的捷径。该方法能让工程师以比传统黄金标准方法快10倍的速度完成设计，且精度不受影响。尽管磁聚变设计仍面临其他重大挑战，但这一进展解决了仿星器这种自20世纪50年代首次提出以来就特有的最大难题。
仿星器利用外部线圈传输电流产生磁场，以此约束等离子体和高能粒子，其约束系统常被称为“磁瓶”。此前，确定磁瓶中孔的位置有一种精确方法，即利用牛顿运动定律，但该方法计算耗时巨大。更棘手的是，设计仿星器时，科学家可能需要模拟数百或数千种略有不同的设计，调整磁线圈布局并迭代消除孔洞，整个过程计算量惊人。
为节省时间和成本，科学家和工程师通常采用更简单的微扰理论来近似计算孔洞位置，但该方法准确性较低，严重减缓了仿星器的研发进程。而此次研究团队提出的新方法基于对称理论，为理解该系统提供了全新视角。
论文第一作者、德克萨斯大学物理学助理教授乔希·伯比(Josh Burby)表示：“最令人兴奋的是，我们正在解决一个近70年来一直悬而未决的问题。这是我们设计这些反应堆的范式转变。”他还称：“目前，如果没有我们的研究成果，就没有任何切实可行的方法能够找到α粒子约束问题的理论答案。直接应用牛顿定律成本太高，微扰法容易犯下严重错误，我们的理论是第一个规避这些陷阱的理论。”
值得一提的是，这种新方法不仅对仿星器设计意义重大，还可助力解决另一种主流磁聚变反应堆设计——托卡马克中类似但不同的问题。托卡马克设计中存在逃逸电子问题，高能电子会在周围壁上打出孔洞，新方法能帮助识别磁场中可能泄漏这些电子的空洞。
乔希·伯比的合著者包括德克萨斯州立大学博士后研究员马克斯·鲁思(Max Ruth)和研究生伊万·马尔多纳多(Ivan Maldonado)，其他作者还有洛斯阿拉莫斯博士后研究员丹·梅森杰(Dan Messenger)，以及计划建造用于发电仿星器的一型能源集团的计算科学家兼数据科学家利奥波尔多·卡巴哈尔(Leopoldo Carbajal)。
据悉，这项研究工作得到了美国能源部的支持。未来，随着相关技术的进一步发展，聚变能有望为人类提供更为清洁、高效的能源解决方案。
