每秒 16,000 帧，科学家终于可以看到核聚变内部景象

托卡马克能源公司ST40聚变反应堆内氘和锂发出的光芒。 （托卡马克能源公司/YouTube）

当托卡马克启动时，在其加固的腹部内会发生一些神奇的事情。

由重氢产生的等离子体绽放出绚丽的粉红色，在甜甜圈形状的腔室中翻滚扭动。

然后，微小的锂颗粒落入漩涡中，像猩红色的仙尘一样闪闪发光，然后爆发出鲜艳的黄绿色光芒。

多亏了高速彩色摄像机，我们可以亲眼目睹托卡马克能源公司的 ST40 机器内部等离子体升温的过程，从而创造出未来托卡马克将用来将原子核碰撞在一起以产生聚变能的条件，而聚变能有朝一日可以为世界提供能源。

但令人惊叹的不仅仅是这壮丽的景色。

等离子体聚变距离实际应用还有很长的路要走——观察炽热的锂的轨迹或许能帮助物理学家克服这项技术面临的主要障碍之一：如何安全地排出聚变等离子体逸出的巨大热量。

托卡马克需要将等离子体约束在数百万度的温度下，才能迫使原子核聚集在一起。

但这种约束并不容易——周围旋转的巨大能量不可避免地会有一些逃逸出受限的等离子体。

热量总要散失到某个地方，因此托卡马克装置被设计成尽可能多地将逸出的热量导向称为偏滤器的部件。

目前，托卡马克实验的持续时间相对较短。然而，在未来的 聚变电站中，这些部件必须能够长时间承受极高的热负荷而不迅速解体。

偏滤器热负荷是一个非常重要的问题，它是影响未来球形托卡马克装置设计的关键因素之一。在ST40的实验中，研究人员测量到的热通量高达每平方米150兆瓦。

因此，散热是研究人员利用 ST40 进行研究的问题之一——包括能否诱导等离子体本身发挥作用。

当然，托卡马克装置配备高速、高分辨率相机的历史几乎与托卡马克装置本身的历史一样悠久。

高速彩色成像技术也并非完全是新事物：正如 2016 年的一篇论文中所述，俄罗斯的 T-11M 托卡马克装置于 2014 年部署了一台彩色相机。

俄罗斯T-11M托卡马克装置中等离子体与锂限制器相互作用的高速彩色成像。明亮的条纹是限制器在不稳定性期间喷射出的锂液滴，其运动速度约为每秒100米。（Lazarev等人，《聚变工程与设计》，2016）

然而，该论文指出了一个重大缺陷。尽管该相机也在追踪等离子体边界处的锂，但其运行速度仅为每秒1000帧——研究人员指出，这不足以追踪锂丝随时间的演变。他们表示，要实现这一点，需要超过每秒10000帧的速度。

摄像机对准 ST40 的内部进行拍摄，帧速率为 16,000 fps。

它正在寻找以下内容。

通常情况下，聚变反应堆内部高速旋转的等离子体中的杂质会造成严重的问题，导致热量更快散失，从而冷却等离子体，并可能干扰聚变所需的条件。

但如果冷却发生在等离子体边缘的正确位置，这实际上可能是一个优势——它可以减少喷射到偏滤器的热量，同时等离子体环的内部仍然保持足够高的温度以维持聚变条件。

这就是一种名为 X 点辐射器（或 XPR）的实验性运行机制背后的理念。

等离子体受到强大的磁场约束。X点是靠近偏滤器的磁场区域，该区域的磁场形成独特的X形结构。

物理学家希望通过鼓励杂质向该区域周围辐射能量，在等离子体到达偏滤器之前对其进行冷却，从而减少这些部件在不冷却聚变产生核心的情况下所承受的损害。

锂是物理学家们一直在试验的材料之一，目的是看看如何控制这种冷却效果。

这就是那些绚丽色彩所发挥的作用。

与直觉相反，相机捕捉到的彩色等离子体并不是ST40最热的部分。聚变反应产生的炽热核心温度太高，无法产生我们看到的可见光；相反，相机揭示了其边缘周围相对较冷的等离子体中正在发生的事情。

粉红色的光芒来自注入托卡马克装置的氘气，氘气会发出红色和蓝色波长的组合光。

当微小的、沙粒大小的锂颗粒首次进入较冷的外部区域时，中性的锂原子会受到激发，发出耀眼的深红色光芒。

然而，当锂原子进一步渗透到温度更高、密度更大的等离子体中时，其原子会失去一个电子，变成带正电荷的锂离子。这些Li⁺离子会发出独特的黄绿色光。

由于锂离子现在带电，它们会跟随磁场运动——将那些鲜艳的黄绿色条纹变成发光的示踪物，用来追踪原本不可见的、限制等离子体的磁力线。

即使使用黑白图像，获取托卡马克装置的温度分布图也相对容易。彩色相机为物理学家提供了一种方法，可以追踪不同等离子体条件下各种原子和离子的运动轨迹，从而揭示锂的迁移路径和渗透深度。

结合光谱学（可以精确识别所发射光的波长），高速影像为物理学家提供了另一种方法来观察杂质是否按照预期的方式向特定方向辐射能量。

如果冷却效果不佳，物理学家可以改变条件并再次尝试，学习如何将冷却保持在他们想要的位置——这些知识最终可能会影响未来聚变反应堆如何处理其巨大的热量。

初步迹象表明，XPR 方法可能有效。

在ST40实验的初步结果中，研究人员报告称，他们已经能够产生一个辐射区域，该区域会穿过X点并显著冷却等离子体边缘。测量结果表明，当这种情况发生时，到达偏滤器的热量会下降。

研究人员认为，这些实验中的大部分辐射来自托卡马克装置壁上脱落的碳，而不是人为引入的锂。但目前正在进行使用锂和氖来进一步降低热负荷的实验。

计算机模型表明，锂可能特别有用，因为可以将其集中在偏滤器周围，在那里可以发挥其冷却作用，而不会让足够的锂进入上游，从而降低等离子体核心的性能。

托卡马克能源公司计划将这一理念进一步推进。

ST40 目前正在进行重大升级，用钼代替其碳装甲，引入用锂涂覆其面向等离子体的部件的系统，并添加新的诊断设备来仔细检查等离子体边缘发生的情况。

在那之后，或许我们将看到更多绚丽多彩的光芒从太空闪耀而出——它们携带的信息或许能帮助我们更接近核聚变的未来。