近日，德國(guó)馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（IPP，Institute for Plasma Physics）使用一款名為溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 的仿星器完成了一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，在長(zhǎng)等離子體放電中創(chuàng)造了三重積的新世界紀(jì)錄，將這一核聚變關(guān)鍵參數(shù)的新峰值維持了 43 秒。這意味著在更長(zhǎng)的等離子體持續(xù)時(shí)間內(nèi)，溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 仿星器超過(guò)了當(dāng)前最主流的磁約束核聚變裝置托卡馬克（Tokamak）的最佳性能。

（來(lái)源：MPI for Plasma Physics，Jan Hosan）

與此同時(shí)，溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 還實(shí)現(xiàn)了其他兩個(gè)里程碑：

里程碑之一是：能量轉(zhuǎn)換增加到 1.8 千兆焦耳，高于 2023 年 2 月的 1.3 千兆焦耳的更早記錄，等離子體持續(xù)時(shí)間為 360 秒。該團(tuán)隊(duì)還表示：“溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 甚至略微超過(guò)了中國(guó)托卡馬克‘人造太陽(yáng)’EAST 放電的相應(yīng)最佳值。”

里程碑之二是：在整個(gè)等離子體體積范圍內(nèi)，等離子體壓力與磁壓力的比值首次達(dá)到 3%。在一系列實(shí)驗(yàn)中，磁場(chǎng)被有意降低至大約 70%，以便能夠降低磁壓力并使等離子體壓力上升。此次新紀(jì)錄的達(dá)成還伴隨著大約 4000 萬(wàn)攝氏度的離子溫度峰值。

馬克斯·普朗克等離子體物理研究所仿星器動(dòng)力學(xué)與輸運(yùn)部門(mén)負(fù)責(zé)人、溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 運(yùn)行主管托馬斯·克林格（Thomas Klinger）表示：“這一新紀(jì)錄是由我們團(tuán)隊(duì)在內(nèi)的國(guó)際團(tuán)隊(duì)取得的巨大成就，它證明溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 能在長(zhǎng)等離子體脈沖期間將三重積提升至托卡馬克水平，標(biāo)志著我們?cè)谶~向具備發(fā)電廠能力的仿星器道路上又邁出了重要一步。”

總的來(lái)說(shuō)，這不僅打破了之前的聚變記錄，也為反應(yīng)堆性能樹(shù)立了新的基準(zhǔn)，使人類(lèi)距離商業(yè)化、近乎無(wú)限的清潔能源更近一步。

何為仿星器和三重積？

據(jù)了解，仿星器（Stellarator）是一種利用復(fù)雜三維磁場(chǎng)約束等離子體來(lái)實(shí)現(xiàn)受控核聚變的裝置，與托卡馬克并列為當(dāng)今兩大主流磁約束聚變方案。

在通往核聚變電站的道路上，仿星器是最具前景的設(shè)計(jì)方案之一，預(yù)計(jì)這類(lèi)裝置有望通過(guò)輕原子核聚變產(chǎn)生可用能源。

仿星器的相關(guān)反應(yīng)必須在等離子體中發(fā)生，等離子體是一種被加熱到數(shù)千萬(wàn)攝氏度的電離粒子熱氣體。仿星器使用磁約束來(lái)維持等離子體，等離子體被一個(gè)復(fù)雜而強(qiáng)大的磁場(chǎng)捕獲，漂浮在一個(gè)甜甜圈形狀一般的環(huán)形真空室內(nèi)。

三重積，也被稱(chēng)為勞森判據(jù)（Lawson Criterion），是實(shí)現(xiàn)核聚變發(fā)電廠成功的關(guān)鍵指標(biāo)，用于衡量等離子體實(shí)現(xiàn)聚變條件的綜合能力。三重積的定義為：三重積=等離子體密度（n）× 溫度（T）× 能量約束時(shí)間（τ）。

只有當(dāng)三重積超過(guò)某一特定閾值時(shí)，等離子體產(chǎn)生的聚變功率才能超過(guò)投入的加熱功率。這時(shí)，能量平衡變?yōu)檎担圩兎磻?yīng)能在無(wú)需持續(xù)外部加熱的情況下自行維持。

三重積由三個(gè)因素得出：等離子體的粒子密度（n）、溫度（T，發(fā)生聚變反應(yīng)的離子的溫度）和能量限制時(shí)間（τ），即在不提供額外熱量的情況下熱能從等離子體中逸出所需的時(shí)間。正因此，約束時(shí)間是衡量熱絕緣性能的一個(gè)指標(biāo)。對(duì)于聚變發(fā)電廠來(lái)說(shuō)，所需要的閾值為：n?T?τ=3×1021 m?3 keV s。

本次實(shí)驗(yàn)中，溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 的設(shè)計(jì)目標(biāo)是通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證仿星器能否實(shí)現(xiàn)理論預(yù)測(cè)的卓越性能，從而證明其作為未來(lái)聚變電站設(shè)計(jì)方案的可行性。

（來(lái)源：MPI for Plasma Physics，Jan Hosan）

據(jù)了解，托卡馬克裝置同樣采用磁約束方式，但由于結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單，其研究成熟度遠(yuǎn)高于仿星器。目前，三重積的最高紀(jì)錄仍由日本已退役的 JT60U（2008 年停止運(yùn)行）和英國(guó)歐洲聯(lián)合環(huán) JET 裝置（2023 年退役）保持，這些裝置在短短數(shù)秒的等離子體維持時(shí)間內(nèi)就達(dá)到峰值性能，直到現(xiàn)在仍然是該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團(tuán)隊(duì)表示，盡管歐洲聯(lián)合環(huán) JET 的等離子體容積是溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 的三倍，但是在關(guān)乎未來(lái)核電站實(shí)用化的長(zhǎng)脈沖等離子體維持上，溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 現(xiàn)已取得領(lǐng)先優(yōu)勢(shì)。需要說(shuō)明的是，在核聚變反應(yīng)堆中，更大的裝置尺寸通常更易實(shí)現(xiàn)高溫等離子體，這使得溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 的突破更加具有里程碑意義。

（來(lái)源：MPI for Plasma Physics，Dinklage et al（to be publi）

成功關(guān)鍵：新型顆粒注射器

如前所述，這一長(zhǎng)脈沖三重積世界紀(jì)錄是通過(guò)馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團(tuán)隊(duì)與外部團(tuán)隊(duì)的合作實(shí)現(xiàn)的。

其中，一種新型顆粒注射器發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它能將冷凍的氫顆粒注入等離子體中，通過(guò)持續(xù)補(bǔ)充燃料實(shí)現(xiàn)較長(zhǎng)的等離子體持續(xù)時(shí)間。

隸屬于美國(guó)能源部的美國(guó)橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室獨(dú)創(chuàng)了這種高精度注射器，并在溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 上實(shí)現(xiàn)了成功投用。

顆粒噴射器確保能夠穩(wěn)定地向等離子體供應(yīng)氫粒子，這也是未來(lái)聚變發(fā)電廠的一項(xiàng)關(guān)鍵要求。該裝置能夠持續(xù)形成直徑為 3 毫米的冷凍氫體，并以每秒數(shù)次的頻率切割出 3.2 毫米長(zhǎng)的圓柱形顆粒，然后以每秒 300 到每秒 800 米的速度將其發(fā)射進(jìn)等離子體中。

實(shí)驗(yàn)中，馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團(tuán)隊(duì)使用上述注射器在 43 秒內(nèi)注入了約 90 個(gè)冷凍氫顆粒，每顆冷凍氫顆粒的尺寸大約為 1 毫米。

與此同時(shí)，他們還使用強(qiáng)微波來(lái)加熱等離子體。強(qiáng)微波加熱和顆粒注入之間的精確協(xié)調(diào)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)加熱功率和燃料供應(yīng)之間的最佳平衡至關(guān)重要。

而此次突破的關(guān)鍵在于首次實(shí)現(xiàn)了可編程脈沖頻率調(diào)節(jié)的顆粒注入系統(tǒng)的精準(zhǔn)運(yùn)行，這一方案有著極高的執(zhí)行精度，這種方法與核聚變反應(yīng)堆有著直接相關(guān)性，并且有望將等離子體持續(xù)時(shí)間延長(zhǎng)至幾分鐘。

（來(lái)源：MPI for Plasma Physics，Beate Kemnitz）

需要說(shuō)明的是，此次能夠成功使用顆粒注入技術(shù)，也得益于歐洲多家科研機(jī)構(gòu)的先期研究，包括西班牙能源、環(huán)境與技術(shù)研究中心的模擬計(jì)算，以及匈牙利能源研究中心（HUN-REN）通過(guò)超高速攝像設(shè)備取得的觀測(cè)數(shù)據(jù)。

另?yè)?jù)悉，此次使用的微波加熱系統(tǒng)（確切來(lái)說(shuō)是電子回旋共振系統(tǒng)），由德國(guó)卡爾斯魯厄理工學(xué)院團(tuán)隊(duì)和德國(guó)斯圖加特大學(xué)團(tuán)隊(duì)合作開(kāi)發(fā)而來(lái)，它被視為“將等離子體加熱至核聚變所需溫度”的最具前景性方法。實(shí)驗(yàn)中，等離子體溫度被提升至超過(guò) 2000 萬(wàn)攝氏度，峰值達(dá)到了 3000 萬(wàn)攝氏度。

而用于計(jì)算三重積的測(cè)量數(shù)據(jù)部分則由美國(guó)普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室提供，該實(shí)驗(yàn)室在溫德?tīng)査固梗╓endelstein）7-X 上運(yùn)行著一臺(tái)用于離子溫度診斷的 X 射線光譜儀，所需的電子密度數(shù)據(jù)則來(lái)自德國(guó)馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的干涉儀。與此同時(shí)，用于計(jì)算三重積的能量約束時(shí)間，也是通過(guò)馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的診斷工具來(lái)確定的。

總的來(lái)說(shuō)，這次實(shí)驗(yàn)活動(dòng)打破的記錄不僅僅是數(shù)字，它也代表了驗(yàn)證仿星器概念的重要一步。這一成果證明仿星器在穩(wěn)態(tài)運(yùn)行方面具有獨(dú)特優(yōu)勢(shì)，而托卡馬克僅在短脈沖中保持領(lǐng)先。因此，這一成果是仿星器邁向電站級(jí)設(shè)計(jì)的重要里程碑，證明其的確可以媲美托卡馬克的性能。下一步，研究團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃進(jìn)一步延長(zhǎng)等離子體持續(xù)時(shí)間，并解決一些工程可靠性問(wèn)題。

參考資料：

https://www.ipp.mpg.de/1084781/wolf

https://www.ipp.mpg.de/1084836/klinger

https://www.livescience.com/planet-earth/nuclear-energy/nuclear-fusion-record-smashed-as-german-scientists-take-a-significant-step-forward-to-near-limitless-clean-energy

運(yùn)營(yíng)/排版：何晨龍