通過(guò)最新的聚變實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，可以建造更小、更便宜的聚變堆，這引起了聚變電廠發(fā)展的變革。
1、聚變實(shí)驗(yàn)新發(fā)現(xiàn)
磁籠可以將核聚變裝置中超過(guò)1億℃的熱等離子體保持在距容器壁一定距離的位置，這樣它們就不會(huì)融化。
最近，馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（IPP）的研究人員找到了一種顯著縮短這一距離的方法。通過(guò)這種方法，可以建造更小、更便宜的聚變堆。這項(xiàng)研究發(fā)表在《物理評(píng)論快報(bào)》雜志上。
目前正在法國(guó)南部建造的國(guó)際實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆ITER，代表了聚變發(fā)電廠中最先進(jìn)的發(fā)電方式。
該設(shè)計(jì)遵循托卡馬克原理，將超過(guò)1億℃的聚變等離子體限制在形狀像甜甜圈的磁場(chǎng)中。
這一設(shè)計(jì)方式防止了熱等離子體與容器壁接觸并損壞容器。
在德國(guó)慕尼黑的IPP進(jìn)行的“ASDEX升級(jí)”（ASDEX Upgrade）托卡馬克實(shí)驗(yàn)，為ITER和后來(lái)的聚變發(fā)電廠提供了發(fā)展藍(lán)圖。
ITER的重要元素就是在這里開發(fā)的。等離子體的運(yùn)行條件和后期發(fā)電廠的部件今天已經(jīng)可以測(cè)試了。
2、熱等離子體向偏濾器靠近
“ASDEX升級(jí)”和所有現(xiàn)代磁聚變?cè)O(shè)施的核心元素都是分流器。也是容器壁的一部分，該設(shè)備尤其耐熱，需要精心設(shè)計(jì)。
IPP等離子體邊緣和壁部負(fù)責(zé)人烏爾里奇·斯特羅斯（Ulrich Stroth）教授解釋道：“在偏濾器處，等離子體的熱量到達(dá)容器壁。在以后的發(fā)電廠中，聚變產(chǎn)物氦-4也將在那里提取。在這個(gè)地區(qū)，壁載荷特別高。”
因此，“ASDEX升級(jí)”和ITER的偏濾器瓦都是由鎢制成的，鎢是所有化學(xué)元素中熔化溫度最高的（3422℃）。
如果沒(méi)有防護(hù)措施，等離子體20%的聚變功率將到達(dá)偏濾器表面。大約200 MW/㎡，這與太陽(yáng)表面的條件大致相同。
然而，ITER中的分流器以及未來(lái)的聚變發(fā)電廠，最多只能應(yīng)對(duì)10 MW/㎡的功率。
高溫超導(dǎo)磁體在液氮中測(cè)試（圖源：托卡馬克能源公司）
由于這個(gè)原因，少量雜質(zhì)（通常是氮?dú)猓┍惶砑拥降入x子體中。它們通過(guò)將熱能轉(zhuǎn)化為紫外線來(lái)提取大部分熱能。
等離子體邊緣（分界線）必須與偏濾器保持一定距離以保護(hù)它。在迄今為止的“ASDEX升級(jí)”中，距離至少是25厘米（從較低的等離子體尖端X點(diǎn)到偏濾器邊緣測(cè)量）。
3、X點(diǎn)輻射器為聚變堆設(shè)計(jì)開辟了新的可能性
現(xiàn)在，IPP的研究人員已經(jīng)成功地將這一距離減少到5厘米以下，而且不會(huì)損壞容器壁。
IPP研究員馬提亞·伯內(nèi)特（Matthias Bernert）博士說(shuō)：“我們專門使用X點(diǎn)輻射器，這是我們大約十年前在“ASDEX升級(jí)”的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)的現(xiàn)象。當(dāng)添加的氮?dú)饬砍^(guò)一定值時(shí)，X點(diǎn)輻射器會(huì)出現(xiàn)在特定形狀的磁籠中。”
這在紫外線范圍內(nèi)形成輻射特別強(qiáng)烈的小而致密的體積。
伯內(nèi)特博士解釋道：“這些雜質(zhì)使我們的等離子體性能稍差，但如果我們通過(guò)改變氮?dú)庾⑷耄瑢點(diǎn)輻射器設(shè)置在固定位置，我們可以在不損壞裝置/分流器的情況下以更高的功率進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。”
在真空容器的相機(jī)圖像中，X點(diǎn)輻射器（簡(jiǎn)稱XPR）可以被視為等離子體中的一個(gè)藍(lán)色發(fā)光環(huán)，因?yàn)槌俗贤饩€輻射外，它還發(fā)射一些可見(jiàn)光。
IPP研究人員最近對(duì)XPR進(jìn)行了深入研究。盡管如此，偶然性也在當(dāng)前的發(fā)現(xiàn)中發(fā)揮了作用：IPP物理學(xué)家提爾曼·倫特（Tilmann Lunt）博士說(shuō)：“我們意外地將等離子體邊緣移動(dòng)得比我們預(yù)期的更靠近偏濾器。”
“我們非常驚訝的是，‘ASDEX升級(jí)’能夠解決這一問(wèn)題。”
因?yàn)檫@種影響可以在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中得到證實(shí)，研究人員現(xiàn)在知道：當(dāng)X點(diǎn)輻射器存在時(shí)，轉(zhuǎn)化為紫外線輻射的熱能比之前假設(shè)的要多得多。然后等離子體在所有方向上輻射高達(dá)90%的能量。
4、聚變發(fā)電廠可以建造得更緊湊、更便宜
這就得出了對(duì)未來(lái)聚變發(fā)電廠的建設(shè)非常有用的結(jié)論：
分流器可以比以前制造得更小，技術(shù)也更簡(jiǎn)單（緊湊型輻射分流器）。
因?yàn)榈入x子體移動(dòng)得更靠近分流器，所以可以更好地利用真空容器容積。初步計(jì)算表明，如果容器形狀最佳，在保持相同尺寸的同時(shí)，幾乎可以使等離子體體積增加一倍，也將增加可實(shí)現(xiàn)的聚變功率。但研究人員首先必須在進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)中驗(yàn)證這一點(diǎn)。
此外，X點(diǎn)輻射器的使用，也有助于對(duì)抗邊緣局域化模式（ELM）：等離子體邊緣的劇烈能量爆發(fā)，以規(guī)則的間隔出現(xiàn)，并將約十分之一的等離子體能量向壁排出。
ITER和未來(lái)的聚變反應(yīng)堆將因此類噴發(fā)而受損。
“我們正在處理聚變研究中的一項(xiàng)重大發(fā)現(xiàn)，”因此，IPP部門主管斯特羅斯也這樣評(píng)價(jià)， “X點(diǎn)輻射器為我們開發(fā)電廠開辟了全新的可能性。我們將進(jìn)一步研究其背后的理論，并試圖通過(guò)“ASDEX升級(jí)”的新實(shí)驗(yàn)更好地理解它。”
Garching托卡馬克很快將為此提供理想的設(shè)備：到2024年夏天，它將配備一個(gè)新的上部偏濾器。它的特殊線圈可以使偏濾器附近的磁場(chǎng)自由變形，從而優(yōu)化X點(diǎn)輻射器的條件。
（完）
文章來(lái)源：嘿嘿能源heypower
