近日，德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（IPP，Institute for Plasma Physics）使用一款名爲溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的仿星器完成了一項實驗，在長等離子體放電中創造了三重積的新世界紀錄，將這一核聚變關鍵參數的新峯值維持了 43 秒。這意味着在更長的等離子體持續時間內，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 仿星器超過了當前最主流的磁約束核聚變裝置託卡馬克（Tokamak）的最佳性能。
圖 | 溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 仿星器內部視圖（來源：MPI for Plasma Physics，Jan Hosan）
與此同時，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 還實現了其他兩個里程碑：
里程碑之一是：能量轉換增加到 1.8 千兆焦耳，高於 2023 年 2 月的 1.3 千兆焦耳的更早記錄，等離子體持續時間爲 360 秒。該團隊還表示：“溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 甚至略微超過了中國託卡馬克‘人造太陽’EAST 放電的相應最佳值。”
里程碑之二是：在整個等離子體體積範圍內，等離子體壓力與磁壓力的比值首次達到 3%。在一系列實驗中，磁場被有意降低至大約 70%，以便能夠降低磁壓力並使等離子體壓力上升。此次新紀錄的達成還伴隨着大約 4000 萬攝氏度的離子溫度峯值。
馬克斯·普朗克等離子體物理研究所仿星器動力學與輸運部門負責人、溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 運行主管托馬斯·克林格（Thomas Klinger）表示：“這一新紀錄是由我們團隊在內的國際團隊取得的巨大成就，它證明溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 能在長等離子體脈衝期間將三重積提升至託卡馬克水平，標誌着我們在邁向具備發電廠能力的仿星器道路上又邁出了重要一步。”
總的來說，這不僅打破了之前的聚變記錄，也爲反應堆性能樹立了新的基準，使人類距離商業化、近乎無限的清潔能源更近一步。
何爲仿星器和三重積？
據瞭解，仿星器（Stellarator）是一種利用複雜三維磁場約束等離子體來實現受控核聚變的裝置，與託卡馬克並列爲當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計方案之一，預計這類裝置有望通過輕原子核聚變產生可用能源。
仿星器的相關反應必須在等離子體中發生，等離子體是一種被加熱到數千萬攝氏度的電離粒子熱氣體。仿星器使用磁約束來維持等離子體，等離子體被一個複雜而強大的磁場捕獲，漂浮在一個甜甜圈形狀一般的環形真空室內。
三重積，也被稱爲勞森判據（Lawson Criterion），是實現核聚變發電廠成功的關鍵指標，用於衡量等離子體實現聚變條件的綜合能力。三重積的定義爲：三重積=等離子體密度（n）× 溫度（T）× 能量約束時間（τ）。
只有當三重積超過某一特定閾值時，等離子體產生的聚變功率才能超過投入的加熱功率。這時，能量平衡變爲正值，聚變反應能在無需持續外部加熱的情況下自行維持。
三重積由三個因素得出：等離子體的粒子密度（n）、溫度（T，發生聚變反應的離子的溫度）和能量限制時間（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間。正因此，約束時間是衡量熱絕緣性能的一個指標。對於聚變發電廠來說，所需要的閾值爲：n∙T∙τ=3×10²¹ m⁻³ keV s。
本次實驗中，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的設計目標是通過實驗驗證仿星器能否實現理論預測的卓越性能，從而證明其作爲未來聚變電站設計方案的可行性。
圖 | 溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 實驗大廳（來源：MPI for Plasma Physics，Jan Hosan）
據瞭解，託卡馬克裝置同樣採用磁約束方式，但由於結構更爲簡單，其研究成熟度遠高於仿星器。目前，三重積的最高紀錄仍由日本已退役的 JT60U（2008 年停止運行）和英國歐洲聯合環 JET 裝置（2023 年退役）保持，這些裝置在短短數秒的等離子體維持時間內就達到峯值性能，直到現在仍然是該領域的領跑者。
馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊表示，儘管歐洲聯合環 JET 的等離子體容積是溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的三倍，但是在關乎未來核電站實用化的長脈衝等離子體維持上，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 現已取得領先優勢。需要說明的是，在覈聚變反應堆中，更大的裝置尺寸通常更易實現高溫等離子體，這使得溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的突破更加具有里程碑意義。
（來源：MPI for Plasma Physics，Dinklage et al（to be published）/ X. Litaudon et al 2024 Nucl. Fusion 64 015001）
成功關鍵：新型顆粒注射器
如前所述，這一長脈衝三重積世界紀錄是通過馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊與外部團隊的合作實現的。
其中，一種新型顆粒注射器發揮了關鍵作用，它能將冷凍的氫顆粒注入等離子體中，通過持續補充燃料實現較長的等離子體持續時間。
隸屬於美國能源部的美國橡樹嶺國家實驗室獨創了這種高精度注射器，並在溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 上實現了成功投用。
顆粒噴射器確保能夠穩定地向等離子體供應氫粒子，這也是未來聚變發電廠的一項關鍵要求。該裝置能夠持續形成直徑爲 3 毫米的冷凍氫體，並以每秒數次的頻率切割出 3.2 毫米長的圓柱形顆粒，然後以每秒 300 到每秒 800 米的速度將其發射進等離子體中。
實驗中，馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊使用上述注射器在 43 秒內注入了約 90 個冷凍氫顆粒，每顆冷凍氫顆粒的尺寸大約爲 1 毫米。
與此同時，他們還使用強微波來加熱等離子體。強微波加熱和顆粒注入之間的精確協調，對於實現加熱功率和燃料供應之間的最佳平衡至關重要。
而此次突破的關鍵在於首次實現了可編程脈衝頻率調節的顆粒注入系統的精準運行，這一方案有着極高的執行精度，這種方法與核聚變反應堆有着直接相關性，並且有望將等離子體持續時間延長至幾分鐘。
圖 | 溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 實驗大廳的顆粒注射器（來源：MPI for Plasma Physics，Beate Kemnitz）
需要說明的是，此次能夠成功使用顆粒注入技術，也得益於歐洲多家科研機構的先期研究，包括西班牙能源、環境與技術研究中心的模擬計算，以及匈牙利能源研究中心（HUN-REN）通過超高速攝像設備取得的觀測數據。
另據悉，此次使用的微波加熱系統（確切來說是電子迴旋共振系統），由德國卡爾斯魯厄理工學院團隊和德國斯圖加特大學團隊合作開發而來，它被視爲“將等離子體加熱至核聚變所需溫度”的最具前景性方法。實驗中，等離子體溫度被提升至超過 2000 萬攝氏度，峯值達到了 3000 萬攝氏度。
而用於計算三重積的測量數據部分則由美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室提供，該實驗室在溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 上運行着一臺用於離子溫度診斷的 X 射線光譜儀，所需的電子密度數據則來自德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的干涉儀。與此同時，用於計算三重積的能量約束時間，也是通過馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊開發的診斷工具來確定的。
總的來說，這次實驗活動打破的記錄不僅僅是數字，它也代表了驗證仿星器概念的重要一步。這一成果證明仿星器在穩態運行方面具有獨特優勢，而託卡馬克僅在短脈衝中保持領先。因此，這一成果是仿星器邁向電站級設計的重要里程碑，證明其的確可以媲美託卡馬克的性能。下一步，研究團隊還計劃進一步延長等離子體持續時間，並解決一些工程可靠性問題。
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
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