韓國超導(dǎo)托卡馬克高級(jí)研究實(shí)驗(yàn)（圖自：Korea Institute of Fusion Energy）

【資料圖】

學(xué)界普遍推測(cè)，商用核聚變還要數(shù)十年才能走向現(xiàn)實(shí)。但在此期間，我們?cè)诶斫夂徒Y(jié)果方面的漸進(jìn)式進(jìn)展也在不斷涌現(xiàn)。

比如 2021 年進(jìn)行的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)，就已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了能量輸入與輸出的自維持，現(xiàn)研究團(tuán)隊(duì)正在制定商業(yè)反應(yīng)堆的概念設(shè)計(jì)。與此同時(shí)，法國大型 ITER 實(shí)驗(yàn)性聚變反應(yīng)堆的工作也在有條不紊的推進(jìn)中。

研究配圖 1 - 托卡馬克幾何結(jié)構(gòu)與 FIRE 模式的參數(shù)演變（來自：Nature）

據(jù)悉，對(duì)等離子體的控制，是聚變反應(yīng)堆研究中的一個(gè)難點(diǎn)。若接觸到器壁，等離子體就會(huì)迅速冷卻、抑制反應(yīng)、并對(duì)容納它的腔室造成重大損害。

研究人員通常使用各種形式的磁場(chǎng)來控制等離子體，比如借助 ETB 邊緣傳輸屏障。它能夠在反應(yīng)器壁附近形成壓力急劇截止的等離子體，這種狀態(tài)可阻止熱量和等離子體的逸出。

其次是 ITB 內(nèi)部傳輸屏障，該方案可在靠近等離子體中心的地方產(chǎn)生更高的壓力 —— 但兩者都難以避免不穩(wěn)定的問題。

研究配圖 2 - FIRE 模式與混合模式之間的比較

好消息是，Yong-Su Na 團(tuán)隊(duì)在韓國超導(dǎo)托卡馬克高級(jí)研究（KSTAR）的實(shí)驗(yàn)裝置上，成功運(yùn)用了改進(jìn)后的 ITB 技術(shù)。

通過實(shí)現(xiàn)低得多的等離子體密度，他們的方案似乎提高了等離子體的核心溫度、并降低了邊緣的溫度，因而有望延長聚變反應(yīng)堆的組件壽命。

倫敦帝國理工學(xué)院的 Dominic Power 表示，為增加反應(yīng)堆的能量輸出，你可以讓等離子體變得極熱、致密、或增加限制時(shí)間。

研究配圖 3 - 快離子與電子密度之比

不過這支韓國研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，密度限制實(shí)際上比傳統(tǒng)的操作模式要低一些，而這不一定是壞事 —— 因?yàn)樗梢酝ㄟ^核心中更高的溫度來補(bǔ)償，這絕對(duì)是一項(xiàng)振奮人心的進(jìn)展。

只是我們對(duì)物理學(xué)的理解能否擴(kuò)展到更大的設(shè)備上，目前仍存在著很大的不確定。所以像 ITER 之類的裝置，其體型要比 KSTAR 要大得多。

Yong-Su Na 補(bǔ)充道，低密度是這項(xiàng)研究的一個(gè)關(guān)鍵。而等離子體核心的“快速”（或更高能的）離子 —— 即所謂的快速離子調(diào)節(jié)增強(qiáng)（FIRE）—— 則是維持反應(yīng)器穩(wěn)定性不可或缺的一部分。

研究配圖 4 - FIRE 模式的旋動(dòng)模擬結(jié)果

目前該團(tuán)隊(duì)尚未完全了解其中涉及的機(jī)制，且由于硬件的限制，反應(yīng)會(huì)在 30 秒后停止。展望未來，KSTAR 有望達(dá)成更耀眼的成就。

現(xiàn)在 KSTAR 正在停機(jī)升級(jí)，通過將反應(yīng)器壁上的碳成分換為鎢，Yong-Su Na 表示此舉將提升實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

擴(kuò)展數(shù)據(jù)圖 1 - KSTAR 裝置的外內(nèi)部視圖

最后，英國曼徹斯特大學(xué)的 Lee Margetts 表示：

聚變反應(yīng)堆的物理特性正在逐漸深入人心，但在建造一座切實(shí)可行的聚變反應(yīng)電廠之前，仍需克服一些技術(shù)障礙。

其中包括如何從中提取熱量，并用它來產(chǎn)生電流的方法。顯然到了這一步，研究的重點(diǎn)將更側(cè)重于工程學(xué)、而不是物理學(xué)。