马普所7-X仿星器打破核聚变记录，实现30秒等离子体持续时间纪录

近日，德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP，Institute for Plasma Physics）使用一款名为温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 的仿星器完成了一项实验，在长等离子体放电中创造了三重积的新世界纪录，将这一核聚变关键参数的新峰值维持了 43 秒。这意味着在更长的等离子体持续时间内，温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 仿星器超过了当前最主流的磁约束核聚变装置托卡马克（Tokamak）的最佳性能。

与此同时，温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 还实现了其他两个里程碑：

里程碑之一是：能量转换增加到 1.8 千兆焦耳，高于 2023 年 2 月的 1.3 千兆焦耳的更早记录，等离子体持续时间为 360 秒。该团队还表示：“温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 甚至略微超过了中国托卡马克‘人造太阳’EAST 放电的相应最佳值。”

里程碑之二是：在整个等离子体体积范围内，等离子体压力与磁压力的比值首次达到 3%。在一系列实验中，磁场被有意降低至大约 70%，以便能够降低磁压力并使等离子体压力上升。此次新纪录的达成还伴随着大约 4000 万摄氏度的离子温度峰值。

马克斯·普朗克等离子体物理研究所仿星器动力学与输运部门负责人、温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 运行主管托马斯·克林格（Thomas Klinger）表示：“这一新纪录是由我们团队在内的国际团队取得的巨大成就，它证明温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 能在长等离子体脉冲期间将三重积提升至托卡马克水平，标志着我们在迈向具备发电厂能力的仿星器道路上又迈出了重要一步。”

总的来说，这不仅打破了之前的聚变记录，也为反应堆性能树立了新的基准，使人类距离商业化、近乎无限的清洁能源更近一步。

何为仿星器和三重积？

据了解，仿星器（Stellarator）是一种利用复杂三维磁场约束等离子体来实现受控核聚变的装置，与托卡马克并列为当今两大主流磁约束聚变方案。

在通往核聚变电站的道路上，仿星器是最具前景的设计方案之一，预计这类装置有望通过轻原子核聚变产生可用能源。

仿星器的相关反应必须在等离子体中发生，等离子体是一种被加热到数千万摄氏度的电离粒子热气体。仿星器使用磁约束来维持等离子体，等离子体被一个复杂而强大的磁场捕获，漂浮在一个甜甜圈形状一般的环形真空室内。

三重积，也被称为劳森判据（Lawson Criterion），是实现核聚变发电厂成功的关键指标，用于衡量等离子体实现聚变条件的综合能力。三重积的定义为：三重积=等离子体密度（n）× 温度（T）× 能量约束时间（τ）。

只有当三重积超过某一特定阈值时，等离子体产生的聚变功率才能超过投入的加热功率。这时，能量平衡变为正值，聚变反应能在无需持续外部加热的情况下自行维持。

三重积由三个因素得出：等离子体的粒子密度（n）、温度（T，发生聚变反应的离子的温度）和能量限制时间（τ），即在不提供额外热量的情况下热能从等离子体中逸出所需的时间。正因此，约束时间是衡量热绝缘性能的一个指标。对于聚变发电厂来说，所需要的阈值为：n∙T∙τ=3×10²¹ m⁻³ keV s。

本次实验中，温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 的设计目标是通过实验验证仿星器能否实现理论预测的卓越性能，从而证明其作为未来聚变电站设计方案的可行性。

据了解，托卡马克装置同样采用磁约束方式，但由于结构更为简单，其研究成熟度远高于仿星器。目前，三重积的最高纪录仍由日本已退役的 JT60U（2008 年停止运行）和英国欧洲联合环 JET 装置（2023 年退役）保持，这些装置在短短数秒的等离子体维持时间内就达到峰值性能，直到现在仍然是该领域的领跑者。

马克斯·普朗克等离子体物理研究所团队表示，尽管欧洲联合环 JET 的等离子体容积是温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 的三倍，但是在关乎未来核电站实用化的长脉冲等离子体维持上，温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 现已取得领先优势。需要说明的是，在核聚变反应堆中，更大的装置尺寸通常更易实现高温等离子体，这使得温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 的突破更加具有里程碑意义。

成功关键：新型颗粒注射器

如前所述，这一长脉冲三重积世界纪录是通过马克斯·普朗克等离子体物理研究所团队与外部团队的合作实现的。

其中，一种新型颗粒注射器发挥了关键作用，它能将冷冻的氢颗粒注入等离子体中，通过持续补充燃料实现较长的等离子体持续时间。

隶属于美国能源部的美国橡树岭国家实验室独创了这种高精度注射器，并在温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 上实现了成功投用。

颗粒喷射器确保能够稳定地向等离子体供应氢粒子，这也是未来聚变发电厂的一项关键要求。该装置能够持续形成直径为 3 毫米的冷冻氢体，并以每秒数次的频率切割出 3.2 毫米长的圆柱形颗粒，然后以每秒 300 到每秒 800 米的速度将其发射进等离子体中。

实验中，马克斯·普朗克等离子体物理研究所团队使用上述注射器在 43 秒内注入了约 90 个冷冻氢颗粒，每颗冷冻氢颗粒的尺寸大约为 1 毫米。

与此同时，他们还使用强微波来加热等离子体。强微波加热和颗粒注入之间的精确协调，对于实现加热功率和燃料供应之间的最佳平衡至关重要。

而此次突破的关键在于首次实现了可编程脉冲频率调节的颗粒注入系统的精准运行，这一方案有着极高的执行精度，这种方法与核聚变反应堆有着直接相关性，并且有望将等离子体持续时间延长至几分钟。

需要说明的是，此次能够成功使用颗粒注入技术，也得益于欧洲多家科研机构的先期研究，包括西班牙能源、环境与技术研究中心的模拟计算，以及匈牙利能源研究中心（HUN-REN）通过超高速摄像设备取得的观测数据。

另据悉，此次使用的微波加热系统（确切来说是电子回旋共振系统），由德国卡尔斯鲁厄理工学院团队和德国斯图加特大学团队合作开发而来，它被视为“将等离子体加热至核聚变所需温度”的最具前景性方法。实验中，等离子体温度被提升至超过 2000 万摄氏度，峰值达到了 3000 万摄氏度。

而用于计算三重积的测量数据部分则由美国普林斯顿大学等离子体物理实验室提供，该实验室在温德尔斯坦（Wendelstein）7-X 上运行着一台用于离子温度诊断的 X 射线光谱仪，所需的电子密度数据则来自德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所的干涉仪。与此同时，用于计算三重积的能量约束时间，也是通过马克斯·普朗克等离子体物理研究所团队开发的诊断工具来确定的。

总的来说，这次实验活动打破的记录不仅仅是数字，它也代表了验证仿星器概念的重要一步。这一成果证明仿星器在稳态运行方面具有独特优势，而托卡马克仅在短脉冲中保持领先。因此，这一成果是仿星器迈向电站级设计的重要里程碑，证明其的确可以媲美托卡马克的性能。下一步，研究团队还计划进一步延长等离子体持续时间，并解决一些工程可靠性问题。

参考资料：

https://www.ipp.mpg.de/1084781/wolf

https://www.ipp.mpg.de/1084836/klinger

https://www.livescience.com/planet-earth/nuclear-energy/nuclear-fusion-record-smashed-as-german-scientists-take-a-significant-step-forward-to-near-limitless-clean-energy

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