中国核聚变装置突破等离子体关键瓶颈：接下来会发生什么？

中国“人造太阳”项目的研究人员报告称，他们打破了一个长期以来被公认的阈值，该阈值数十年来一直限制着核聚变反应堆的运行。中国的全超导托卡马克装置（EAST，又称“人造太阳”）是位于合肥的核聚变研究反应堆。研究人员希望有朝一日通过复制为太阳提供能量的核聚变过程，利用它来产生清洁且几乎无限的能源。在核聚变反应堆中，轻原子在极端压力和高温下被压缩，形成重原子。这个过程会释放能量，但必须进行精心优化，以确保反应堆产生的能量多于其消耗的能量。托卡马克是最有前景的反应堆设计之一，它利用磁场将等离子体限制在环形（甜甜圈形状）的真空室中，然后对等离子体进行加热。为了维持核聚变反应，等离子体必须达到极高的密度，即大量粒子被压缩在一个小体积内。但研究人员曾认为，等离子体密度超过一定限度就会变得不稳定。这个上限被称为格林沃尔德极限，它一直是核聚变研究的主要障碍，尤其是对托卡马克类型的装置而言。在1月1日发表于《科学进展》（Science Advances）的一篇论文中，中国EAST装置的科学家报告称，他们将等离子体密度推到了这一极限之上，达到了比EAST通常所能达到的密度高出30%至65%的水平。法国原子能与替代能源委员会（位于圣保罗莱兹迪朗斯）的核聚变等离子体物理学家杰罗尼莫·奥拉亚表示：“这些结果非常有前景，应该在其他托卡马克装置中进行探索。”2021年，该研究的合著者、法国艾克斯-马赛大学的等离子体物理学家多米尼克·埃斯坎德及其同事首次提出，通过调整条件，使等离子体与反应堆内壁处于稳定且相互增强的状态，就有可能突破格林沃尔德极限。EAST团队使用高功率微波，以比传统方法更高效的方式提高了用于产生等离子体的初始燃料的温度。这减少了从托卡马克内壁脱落并混入等离子体的金属原子数量。杂质减少意味着不必要的辐射减少，有助于等离子体在密度增加时仍保持稳定。研究人员还向真空室中注入了大量中性气体。这为等离子体在实验后期达到高密度提供了更多燃料，同时冷却了壁附近的区域，进一步减少了杂质的产生。