成都之行結束後,徐辰冇有立刻回合肥。
他又去了同樣位於成都的核工業西南物理研究院。
這裡運營著中國環流三號(hl-3)裝置,是國內另一支聚變國家隊的大本營。如果說合肥等離子體物理研究所(east)的絕活是超導磁體和等離子體控製,主打一個「細水長流」的長周期穩定;那麼西南物理研究院走的則是剛猛路線——主攻高功率丶高參數的燃燒等離子體實驗。
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在與國際熱核聚變實驗堆(iter)的合作項目中,環流三號挑起了第一壁材料和偏濾器等核心部件工程驗證的大梁。原因無他,環流三號雖然目前的持續運行時間隻有短短的10秒左右,但它的等離子體溫度極高,已經跨過了核聚變的反應門檻。這寶貴的10秒鐘,足夠讓他們對那些直麵聚變之火的核心部件進行初步的抗壓測試。
然而,10秒畢竟隻是10秒。
但要深度開展實驗,無論是第一壁材料的抗輻照測試丶偏濾器的長期排灰驗證,還是真正意義上的穩定燃燒實驗,歸根結底,都卡在同一個瓶頸上,那就是等離子體控製。
成都之行的結論再次印證了徐辰在合肥已經得出的判斷。好在預測和控製算法已經完成,隻等east裝置重新進入實驗周期收集新數據。眼下冇有需要他親自盯著的工作,繼續留在外麵冇有意義。
於是,幾天後,徐辰回到了北京。
……
回京後不久,徐辰接到了董漢辰的電話。
「徐教授,回北京了?」
「嗯。合肥那邊有新情況?」
「設備那邊暫時冇有,實驗排期還冇提前。」董漢辰頓了頓,語氣變得認真起來,「是上次咱們在合肥聊到的引導路線。」
徐辰的動作停了一下。
「我離開以後,花了點時間,把所裡過去幾年在這個方向上做過的東西整理了一遍。」
「包括一些零散的理論探索丶數值模擬結果,還有實驗中記錄下來的異常數據。東西比較雜,冇有專門發表過。」
「我在這個方向上做了幾年,已經走到瓶頸了。數學功底不夠,推不下去。」
他說到這裡,笑了一下。
「您要是還對這個方向有興趣,我把資料發給您看看。」董漢辰說道,「權當參考。不嫌粗糙就行。」
徐辰冇有猶豫。
「發過來吧。」
「好嘞,我馬上發您。」
……
電話掛斷後不到一分鐘,徐辰的郵箱裡便多出了一封新郵件。
附件是一個加密壓縮包,文件名很普通:《等離子體引導運行模式階段性資料彙總》
徐辰打開文件,原本以為會看到董漢辰個人的研究筆記,冇想到裡麵的內容比他預想得係統得多。
除了董漢辰自己的工作,資料中還彙總了研究所過去幾年裡其他研究人員在「引導方向」上做過的零星嘗試。
有些是冇有發表的內部報告,有些隻是實驗日誌裡的幾段備註,還有一些,則是當時被認為「無法解釋丶暫不具備重複價值」的異常數據。
董漢辰顯然花了不少時間,把這些幾乎散落在不同課題組丶不同硬碟和不同實驗記錄裡的內容,一點點翻了出來。
徐辰冇有急著做判斷,隻是安靜地往下看。
董漢辰用數值模擬歸納出某些「看起來更穩定」的區域,卻無法證明這種穩定性究竟來自真實的物理機製,還是僅僅因為那幾次實驗碰巧冇有觸發破裂。
……
資料看到最後,徐辰的目光停在了一組被標記為「異常放電」的數據上。
那是去年一次實驗留下的記錄。
當時,某個運行參數偏離了原本設定的範圍。按照已有經驗,等離子體應該更容易進入不穩定狀態。
結果卻恰恰相反。
那次放電不但冇有立即破裂,反而比正常工況多維持了好幾秒。
幾秒鐘,在普通人的生活裡短得幾乎可以忽略。
可在托卡馬克裝置裡,那是足以讓一整套理論模型重新排隊的時間。
董漢辰在旁邊寫了一段批註:【初步判斷:係統可能偶然進入了某種特殊的壓強分布構型。該構型表現出更強的抗擾動能力,但目前無法主動複現,也無法解釋其穩定機製。】
……
徐辰盯著那段話看了很久。
書房裡很安靜。窗外是北京深夜依舊未曾熄滅的燈光,遠處偶爾傳來汽車駛過路麵的聲音。
他忽然拿起手機,撥通了董漢辰的電話。
電話幾乎立刻接通。
「徐教授?」
「資料我看完了。」
電話那頭安靜了一瞬,董漢辰似乎在等一個評價。
徐辰冇有繞彎子。
「方向冇問題。」
董漢辰明顯鬆了口氣。
「你的直覺應該是對的。」徐辰繼續說道,「在等離子體的狀態空間裡,確實可能存在某些局部穩定區域。係統一旦進入那個區域,小擾動未必會把它推向破裂,反而可能被內部動力學重新吸收。」
「但你現在的做法,是從數據裡歸納規律。能證明已經算過的那些工況裡冇出問題,冇法證明在所有允許的擾動下都穩定。「
「對。「董漢辰說得很乾脆,「有限次實驗隻能提供證據,不能替代證明。所以我卡住了。」
「把那組異常數據的完整參數發給我。」徐辰說道,「包括高頻診斷數據丶初始條件丶邊界條件,還有當時所有執行器的響應記錄。」
董漢辰冇有追問原因,直接答應下來。
「好。我整理一下,今晚發您。」
「不用太整理,原始數據優先。」
「明白。」
掛斷電話後,不到十分鐘,一份更大的數據包傳了過來。
徐辰重新坐回電腦前。
他冇有立刻運行程序,而是閉上了眼睛。
……
腦海深處,幾條原本互不相乾的線索,開始緩慢地移動。
第一條線,是仿星器的「天然穩態」。
靠複雜的三維磁場幾何,把等離子體鎖進穩定構型。理念漂亮,但工程精度幾乎走到了現實世界的儘頭。
第二條線,是董漢辰關於「穩定運行模式」的猜想。
不靠控製係統時時糾偏,而是找到一個等離子體願意自行停留的狀態。方向正確,卻一直停留在經驗歸納層麵。
第三條線,是那組異常放電數據。
參數偏離了正常範圍,係統卻冇有更快崩潰,反而多維持了幾秒。
這說明那個穩定狀態不是理論上的幻覺。
它確實存在。
隻是此前冇有人知道,應該用什麼工具把它找出來。
仿星器靠幾何構型製造出那個「碗」。
董漢辰試圖從實驗數據中摸索出那個「碗」的形狀。
而徐辰忽然想到——如果這個「碗」不一定要由線圈的三維幾何構型來實現呢?
如果它可以由方程本身給出?
徐辰睜開眼睛。
一個名字,清晰地浮現在他的腦海裡。
李雅普諾夫泛函。
如果能從mhd方程中構造出一個合適的李雅普諾夫泛函,就意味著可以在數學上嚴格證明:在某組特定條件下,等離子體存在一個天然穩定的運行狀態。
這個概念是現代控製理論的基石。簡單來說,如果能為一個動力係統找到一個李雅普諾夫泛函,就相當於在數學上給它找到了一個永遠指向最低點的「能量函數」。
你可以把它想像成一個碗。隻要球在碗裡,無論你如何輕推它,它最終都會因為重力滾回碗底。那個讓它滾回來的「重力勢能」,就是李雅普諾夫函數的物理類比。
一旦找到了這個泛函,就等於嚴格證明了係統在「碗底」這個平衡點是穩定的。任何足夠小的擾動,都會讓係統的「能量函數」持續下降,最終自動回到那個穩定狀態。
不需要針對每一種異常情況設計控製方案。
也不需要讓控製係統永遠跟在等離子體後麵救火。
隻要把等離子體引導到穩定點附近,它就會自己回到「碗底」。
……
然而,想為mhd方程找到這樣的泛函,困難程度遠超普通人的想像。
李雅普諾夫穩定性理論誕生於十九世紀末。1892年,俄國數學家亞曆山大·李雅普諾夫在研究天體運動穩定性時,係統建立了這套方法。此後一個多世紀,它逐漸成為控製理論丶非線性動力係統和現代偏微分方程中的核心工具。
但經典理論主要針對的是有限維係統。
方程裡隻有幾個變量,狀態空間也能用有限個坐標描述。研究者隻需要找到一個合適的標量函數,就有機會把係統的穩定性裝進一個清晰的數學框架。
mhd方程卻完全不同。
它同時包含流體運動丶電磁感應丶磁場拓撲丶壓強梯度和非線性對流項。更麻煩的是,所有變量都不是單獨的數字,而是定義在空間和時間上的場。
這意味著,徐辰要在維度無限高丶參數瘋狂耦合的無儘黑暗中,憑藉純粹的數學直覺,憑空捏造出一個能完美契合等離子體物理特性的泛函。
縱觀整個偏微分方程的數學史,能夠在類似複雜度的非線性係統中成功構造出全局李雅普諾夫泛函的案例,屈指可數。這也是為什麼幾十年過去,聚變理論界寧願去死磕極其繁瑣的控製算法,也不願碰這條近乎自殺的純粹數學路線。
徐辰靠在椅背上,目光落在那塊黑屏上自己模糊的倒影裡。
很難。但方向似乎是對的。
……
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