DIII-D托卡馬克聚變反應(yīng)堆內(nèi)部。 圖片來源：《新科學(xué)家》網(wǎng)站

美國科學(xué)家在小型托卡馬克反應(yīng)堆內(nèi)進(jìn)行了一項(xiàng)最新實(shí)驗(yàn)，克服了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定且強(qiáng)大聚變反應(yīng)的兩個關(guān)鍵障礙：讓等離子體密度超出限制值20%，并讓更稠密的等離子體保持穩(wěn)定。但這項(xiàng)技術(shù)是否適用于更大設(shè)備仍有待驗(yàn)證。相關(guān)論文發(fā)表于4月24日的《自然》雜志。

作為不產(chǎn)生二氧化碳的綠色能源，核聚變發(fā)電日益受到關(guān)注。獲得聚變能的最常見方法是使用托卡馬克裝置。在托卡馬克核聚變反應(yīng)堆內(nèi)，氫同位素氘和氚被加熱到超高溫度以產(chǎn)生等離子體，強(qiáng)磁場將這些帶電等離子體約束在“磁籠子”里。但目前，要想讓核聚變反應(yīng)在“最佳點(diǎn)”運(yùn)行以獲得最佳發(fā)電效率，需要解決兩個難題：提高等離子體密度并有效約束更稠密的等離子體。

在核聚變反應(yīng)中，存在著所謂的格林沃爾德極限。超過這個極限，如果等離子體不脫離磁場束縛，就無法提高密度，但等離子體掙脫束縛又會損壞反應(yīng)堆。提高密度對提高發(fā)電量至關(guān)重要，實(shí)驗(yàn)表明，托卡馬克反應(yīng)堆的發(fā)電量與燃料密度的平方成正比。

在最新實(shí)驗(yàn)中，美國通用原子公司研究團(tuán)隊(duì)讓DIII-D國家聚變設(shè)施內(nèi)的托卡馬克反應(yīng)堆運(yùn)行了2.2秒，等離子體平均密度比格林沃爾德限值高20%。至關(guān)重要的是，新實(shí)驗(yàn)是在約束改善因子大于1的條件下運(yùn)行，這意味著等離子體被成功地限制在適當(dāng)位置。

不過，DIII-D等離子體室的外半徑僅1.6米，目前尚不清楚該方法是否適用于正在法國建設(shè)的半徑為6.2米的下一代托卡馬克裝置——國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆。因?yàn)榈入x子體非常復(fù)雜，條件的微小變化會導(dǎo)致行為的巨大變化。

研究人員表示，許多反應(yīng)堆設(shè)計(jì)需要同時實(shí)現(xiàn)高約束和高密度，這是首次有實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)。這一成果向?qū)嵱煤司圩儼l(fā)電廠邁出了重要一步，但商業(yè)反應(yīng)堆可能還需多年才能實(shí)現(xiàn)。