核聚變實驗達到“最佳點”

核聚變反應已經克服了兩個關鍵障礙——提高等離子體密度和保持稠密等離子體，以達到發電所需的“最佳點”。這是邁向核聚變發電的又一里程碑，盡管實現商用反應堆可能還需要數年時間。相關論文4月24日發表于《自然》。

DIII-D托卡馬克反應堆內部。圖片來源：Rswilcox (CC BY-SA 4.0)

目前，人們正在探索的實現核聚變發電的主要途徑之一是使用托卡馬克反應堆。這是一種“甜甜圈”形狀的真空裝置，外面環繞著磁線圈。它借助強大的磁場，將等離子體加熱到數億攝氏度的極高溫度，甚至比太陽還熱，以達到核聚變的目的。

人們一直認為存在一個臨界點，即格林沃爾德極限。如果試圖提高燃料密度，超過這個臨界點時，等離子體就會脫離磁場的約束，四散逃逸，從而可能損壞反應堆。而提高密度對提高產量至關重要，因為實驗表明，托卡馬克反應堆的產量與燃料密度的平方成正比。

現在，美國通用原子能公司的Siye Ding和同事證明，有一種方法可以提高等離子體密度，且能夠實現高約束穩態運行。利用這種方法，他們成功使DIII-D國家聚變設施托卡馬克反應堆在平均密度比格林沃爾德極限高出20%的情況下，運行了2.2秒。雖然之前已經打破了這一“關卡”，但穩定性較差、持續時間較短，而且這次的關鍵指標是，能量約束增強因子H98(y,2)>1。

英國貝爾法斯特女王大學的Gianluca Sarri解釋說，H98(y,2)顯示了磁場對等離子體的約束程度，數值為1或以上意味著等離子體被成功固定在適當的位置。

“如果現在開始表現出某種穩態運行，就可以一直處于最佳狀態。”Sarri說，“這次實驗是在一臺小型設備上完成的，如果把結果推廣到更大的設備上，就可以在很長一段時間內提高功率、實現增益。”

這次DIII-D實驗依賴于多方法融合，這些方法本身并不新鮮，但融合起來似乎很有前景。DIII-D等離子體室的外半徑只有1.6米，目前還不知道同樣的方法是否適用于國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）。這是法國正在建設的下一代托卡馬克，半徑將達到6.2米。

“這次實驗對未來的核聚變發電來說是個好兆頭。”Ding說，“許多反應堆設計要求同時具有高約束和高密度。從實驗上講，這是第一次實現這一點。”

Ding表示：“下一步耗資巨大，目前研究正在朝著許多不同的方向發展，我希望這篇論文有助于集中全球的努力。”

相關論文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3