核聚变电厂发展变革

通过最新的聚变实验发现，可以建造更小、更便宜的聚变堆，这引起了聚变电厂发展的变革。

1、聚变实验新发现

“ASDEX升级”内部

磁笼可以将核聚变装置中超过1亿℃的热等离子体保持在距容器壁一定距离的位置，这样它们就不会融化。

最近，马克斯·普朗克等离子体物理研究所(IPP)的研究人员找到了一种显著缩短这一距离的方法。通过这种方法，可以建造更小、更便宜的聚变堆。这项研究发表在《物理评论快报》杂志上。

目前正在法国南部建造的国际实验反应堆ITER，代表了聚变发电厂中最先进的发电方式。

该设计遵循托卡马克原理，将超过1亿℃的聚变等离子体限制在形状像甜甜圈的磁场中。

这一设计方式防止了热等离子体与容器壁接触并损坏容器。

在德国慕尼黑的IPP进行的“ASDEX升级”(ASDEX Upgrade)托卡马克实验，为ITER和后来的聚变发电厂提供了发展蓝图。

ITER的重要元素就是在这里开发的。等离子体的运行条件和后期发电厂的部件今天已经可以测试了。

2、热等离子体向偏滤器靠近

“ASDEX升级”和所有现代磁聚变设施的核心元素都是分流器。也是容器壁的一部分，该设备尤其耐热，需要精心设计。

IPP等离子体边缘和壁部负责人乌尔里奇·斯特罗斯(Ulrich Stroth)教授解释道：“在偏滤器处，等离子体的热量到达容器壁。在以后的发电厂中，聚变产物氦-4也将在那里提取。在这个地区，壁载荷特别高。”

因此，“ASDEX升级”和ITER的偏滤器瓦都是由钨制成的，钨是所有化学元素中熔化温度最高的(3422℃)。

如果没有防护措施，等离子体20%的聚变功率将到达偏滤器表面。大约200 MW/㎡，这与太阳表面的条件大致相同。

然而，ITER中的分流器以及未来的聚变发电厂，最多只能应对10 MW/㎡的功率。

高温超导磁体在液氮中测试(图源：托卡马克能源公司)

由于这个原因，少量杂质(通常是氮气)被添加到等离子体中。它们通过将热能转化为紫外线来提取大部分热能。

等离子体边缘(分界线)必须与偏滤器保持一定距离以保护它。在迄今为止的“ASDEX升级”中，距离至少是25厘米(从较低的等离子体尖端X点到偏滤器边缘测量)。

3、X点辐射器为聚变堆设计开辟了新的可能性

现在，IPP的研究人员已经成功地将这一距离减少到5厘米以下，而且不会损坏容器壁。

IPP研究员马提亚·伯内特(Matthias Bernert)博士说：“我们专门使用X点辐射器，这是我们大约十年前在“ASDEX升级”的实验中发现的现象。当添加的氮气量超过一定值时，X点辐射器会出现在特定形状的磁笼中。”

这在紫外线范围内形成辐射特别强烈的小而致密的体积。

伯内特博士解释道：“这些杂质使我们的等离子体性能稍差，但如果我们通过改变氮气注入，将X点辐射器设置在固定位置，我们可以在不损坏装置/分流器的情况下以更高的功率进行实验。”

在真空容器的相机图像中，X点辐射器(简称XPR)可以被视为等离子体中的一个蓝色发光环，因为除了紫外线辐射外，它还发射一些可见光。

IPP研究人员最近对XPR进行了深入研究。尽管如此，偶然性也在当前的发现中发挥了作用：IPP物理学家提尔曼·伦特(Tilmann Lunt)博士说：“我们意外地将等离子体边缘移动得比我们预期的更靠近偏滤器。”

“我们非常惊讶的是，‘ASDEX升级’能够解决这一问题。”

因为这种影响可以在进一步的实验中得到证实，研究人员现在知道：当X点辐射器存在时，转化为紫外线辐射的热能比之前假设的要多得多。然后等离子体在所有方向上辐射高达90%的能量。

4、聚变发电厂可以建造得更紧凑、更便宜

这就得出了对未来聚变发电厂的建设非常有用的结论：

分流器可以比以前制造得更小，技术也更简单(紧凑型辐射分流器)。

因为等离子体移动得更靠近分流器，所以可以更好地利用真空容器容积。初步计算表明，如果容器形状最佳，在保持相同尺寸的同时，几乎可以使等离子体体积增加一倍，也将增加可实现的聚变功率。但研究人员首先必须在进一步的实验中验证这一点。

此外，X点辐射器的使用，也有助于对抗边缘局域化模式(ELM)：等离子体边缘的剧烈能量爆发，以规则的间隔出现，并将约十分之一的等离子体能量向壁排出。

ITER和未来的聚变反应堆将因此类喷发而受损。

“我们正在处理聚变研究中的一项重大发现，”因此，IPP部门主管斯特罗斯也这样评价， “X点辐射器为我们开发电厂开辟了全新的可能性。我们将进一步研究其背后的理论，并试图通过“ASDEX升级”的新实验更好地理解它。”

Garching托卡马克很快将为此提供理想的设备：到2024年夏天，它将配备一个新的上部偏滤器。它的特殊线圈可以使偏滤器附近的磁场自由变形，从而优化X点辐射器的条件。