Two color orange horizontal divider FigCove_2400x1600 预测聚变反应堆中数百个粒子的运动。使用新方法（橙色、红色）预测的运动与使用牛顿定律（蓝色、绿色）预测的运动非常吻合，但计算速度提高了 10 倍。图片来源：德克萨斯大学奥斯汀分校。

德克萨斯州奥斯汀——如果科学家和工程师能够成功地开发出一种可靠的产生和维持聚变能源的方法，那么丰富、低成本、清洁的能源将成为现实。由德克萨斯大学奥斯汀分校、洛斯阿拉莫斯国家实验室和Type One Energy Group 的研究人员组成的团队解决了该领域一个长期存在的问题，使这一愿景更接近现实。

阻碍聚变能源发展的一大挑战是，如何将高能粒子控制在聚变反应堆内。当高能 α 粒子从反应堆泄漏时，会阻止等离子体变得足够热和稠密，从而无法维持聚变反应。为了防止它们泄漏，工程师设计了精密的磁约束系统，但磁场中经常存在漏洞，而且需要大量的计算时间来预测它们的位置并消除它们。

在他们发表在《Physical Review Letters》上的论文中，研究团队描述说，他们发现了一种捷径，可以帮助工程师设计防漏磁约束系统，其速度是黄金标准方法的 10 倍，而且不会牺牲准确性。虽然所有磁聚变设计仍然面临一些其他重大挑战，但这一进展解决了恒星器（stellarator）这种 20 世纪 50 年代首次提出的聚变反应堆设计所特有的最大挑战。

“最令人兴奋的是，我们正在解决一个已经存在了近 70 年的开放性问题，”德克萨斯大学物理学助理教授兼论文第一作者 Josh Burby 说。“这是我们设计这些反应堆的范式转变。”

恒星器（stellarator）使用承载电流的外部线圈来产生磁场，从而约束等离子体和高能粒子。这种约束系统通常被称为“磁瓶”。

有一种方法可以使用牛顿运动定律来识别磁瓶中的漏洞，这种方法非常精确，但需要大量的计算时间。更糟糕的是，为了设计一个恒星器（stellarator），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迭代以消除漏洞——这个过程需要在大量的计算之上进行，这是令人望而却步的。

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漏洞的位置，使用一种称为微扰理论的方法。但这种方法的准确性要低得多，这减缓了恒星器（stellarator）的发展。新方法依赖于对称性理论，这是一种理解系统的不同方式。

“如果没有我们的研究结果，目前还没有实际方法来找到 α 粒子约束问题的理论答案，”Burby 说。“直接应用牛顿定律成本太高。微扰方法会产生严重错误。我们的理论是第一个避免这些陷阱的理论。”

这种新方法还可以帮助解决另一种流行的磁聚变反应堆设计——托卡马克（tokamak）中一个类似但不同的问题。在这种设计中，存在失控电子的问题——高能电子会击穿周围的壁。这种新方法可以帮助识别磁场中的漏洞，这些电子可能会从这些漏洞中泄漏。

Burby 在德克萨斯大学的合作者是博士后研究员 Max Ruth 和研究生 Ivan Maldonado。其他作者是洛斯阿拉莫斯博士后研究员 Dan Messenger，以及 Type One Energy Group 的计算科学家和数据科学家 Leopoldo Carbajal，该公司计划建造用于发电的恒星器（stellarator）。

这项工作得到了美国能源部的支持。