核聚变实验达到“最佳点”

核聚变反应已经克服了两个关键障碍——提高等离子体密度和保持稠密等离子体，以达到发电所需的“最佳点”。这是迈向核聚变发电的又一里程碑，尽管实现商用反应堆可能还需要数年时间。相关论文4月24日发表于《自然》。

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DIII-D托卡马克反应堆内部。图片来源：Rswilcox (CC BY-SA 4.0)

目前，人们正在探索的实现核聚变发电的主要途径之一是使用托卡马克反应堆。这是一种“甜甜圈”形状的真空装置，外面环绕着磁线圈。它借助强大的磁场，将等离子体加热到数亿摄氏度的极高温度，甚至比太阳还热，以达到核聚变的目的。

人们一直认为存在一个临界点，即格林沃尔德极限。如果试图提高燃料密度，超过这个临界点时，等离子体就会脱离磁场的约束，四散逃逸，从而可能损坏反应堆。而提高密度对提高产量至关重要，因为实验表明，托卡马克反应堆的产量与燃料密度的平方成正比。

现在，美国通用原子能公司的Siye Ding和同事证明，有一种方法可以提高等离子体密度，且能够实现高约束稳态运行。利用这种方法，他们成功使DIII-D国家聚变设施托卡马克反应堆在平均密度比格林沃尔德极限高出20%的情况下，运行了2.2秒。虽然之前已经打破了这一“关卡”，但稳定性较差、持续时间较短，而且这次的关键指标是，能量约束增强因子H98(y,2)>1。

英国贝尔法斯特女王大学的Gianluca Sarri解释说，H98(y,2)显示了磁场对等离子体的约束程度，数值为1或以上意味着等离子体被成功固定在适当的位置。

“如果现在开始表现出某种稳态运行，就可以一直处于最佳状态。”Sarri说，“这次实验是在一台小型设备上完成的，如果把结果推广到更大的设备上，就可以在很长一段时间内提高功率、实现增益。”

这次DIII-D实验依赖于多方法融合，这些方法本身并不新鲜，但融合起来似乎很有前景。DIII-D等离子体室的外半径只有1.6米，目前还不知道同样的方法是否适用于国际热核聚变实验反应堆（ITER）。这是法国正在建设的下一代托卡马克，半径将达到6.2米。

“这次实验对未来的核聚变发电来说是个好兆头。”Ding说，“许多反应堆设计要求同时具有高约束和高密度。从实验上讲，这是第一次实现这一点。”

Ding表示：“下一步耗资巨大，目前研究正在朝着许多不同的方向发展，我希望这篇论文有助于集中全球的努力。”

相关论文信息：https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3