KSTAR 圖片來源：韓國(guó)能源技術(shù)研究院

大多數(shù)科學(xué)家認(rèn)為可行的核聚變反應(yīng)仍需數(shù)十年的發(fā)展。但關(guān)于核聚變的認(rèn)識(shí)和成果都在不斷增加。

現(xiàn)在，韓國(guó)首爾國(guó)立大學(xué)的Yong Su Na和同事，在一個(gè)核聚變反應(yīng)堆中，使核聚變反應(yīng)在超過1億攝氏度的溫度下穩(wěn)定持續(xù)了30秒。相關(guān)研究9月7日發(fā)表于《自然》。

2021年的一項(xiàng)實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生了足以自我維持的核聚變反應(yīng)能量，商業(yè)反應(yīng)堆概念設(shè)計(jì)也正在起草當(dāng)中。與此同時(shí)，國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計(jì)劃(ITER)的工作仍在推進(jìn)。

在新的研究中，雖然其持續(xù)時(shí)間和溫度并未破紀(jì)錄，但在達(dá)到所需熱量的同時(shí)保持穩(wěn)定，使人們離可行的聚變反應(yīng)堆更近了一步，當(dāng)然前提是所使用的技術(shù)能夠擴(kuò)大規(guī)模。

在實(shí)現(xiàn)上述反應(yīng)的過程中，對(duì)等離子體的控制至關(guān)重要。一旦等離子體接觸到反應(yīng)器壁就會(huì)迅速冷卻，在抑制反應(yīng)的同時(shí)損壞腔室。

研究人員通常使用各種形狀的磁場(chǎng)來容納等離子體。有些人使用邊緣傳輸屏障(ETB)，在靠近反應(yīng)堆壁的地方用壓力塑造出一個(gè)“陡坡”，阻止熱量和等離子體逸出。還有人通過內(nèi)部傳輸屏障(ITB)在等離子體中心附近產(chǎn)生更高的壓力。但兩者都會(huì)造成反應(yīng)的不穩(wěn)定。

大多數(shù)方法為了增加反應(yīng)堆產(chǎn)生的能量，會(huì)使等離子體非常熱、致密，或者增加對(duì)等離子體的限制時(shí)間。而Na團(tuán)隊(duì)在韓國(guó)超導(dǎo)托卡馬克核聚變裝置(KSTAR)上使用了改進(jìn)的ITB技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了更低的等離子體密度。他們的方法似乎提高了核心等離子體溫度，降低了邊緣等離子體溫度，這可能有助于延長(zhǎng)反應(yīng)堆部件的壽命。

Na指出，低密度是關(guān)鍵，而等離子體核心的“快速”或能量更高的離子——所謂的快離子調(diào)節(jié)增強(qiáng)(FIRE)，則是維持反應(yīng)穩(wěn)定性的關(guān)鍵。但該團(tuán)隊(duì)還沒有完全厘清其中的機(jī)制。

由于硬件的限制，反應(yīng)在30秒后停止，未來可能維持更長(zhǎng)時(shí)間。KSTAR現(xiàn)在已經(jīng)關(guān)閉進(jìn)行升級(jí)，反應(yīng)堆壁上的碳將被鎢取代，Na表示這將提高實(shí)驗(yàn)的可重復(fù)性。

“Na的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，對(duì)等離子體的密度限制低一些不一定是件壞事，因?yàn)榭梢员缓诵母叩臏囟人a(bǔ)償。”英國(guó)倫敦帝國(guó)理工學(xué)院的Dominic Power說，但該方法能否適用于規(guī)模更大的設(shè)備、項(xiàng)目，如ITER，還存在很大的不確定性。(徐銳)

相關(guān)論文信息：

https://doi.org/10.1038/s41586-022-05008-1

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