物理學家成功開發出用於產生聚變能的關鍵裝置

研究一種稱為仿星器的聚變反應堆的物理學家越來越接近實際利用核聚變的力量。

根據一篇新論文，德國的 Wendelstein 7-X 仿星器現在能夠容納的熱量達到太陽核心溫度的兩倍。這意味著物理學家已經能夠減少熱量損失，這是仿星器技術向前邁出的重要一步。

普林斯頓等離子體物理實驗室 （PPPL） 的物理學家諾維米爾·帕布蘭特（Novimir Pablant）說： 對於聚變來說，這種設計取得成功真是令人興奮的訊息，它清楚地表明，這種最佳化是可以做到的。

聚變發電是世界各國能源發展的重點。從理論上講，它依賴於利用等離子體中的原子核融合時釋放的能量來產生更重的元素：與恆星心臟中發生的過程相同。如果我們能做到這一點，好處將是巨大的——幾乎取之不盡的清潔、高輸出能源。

然而，說起來容易做起來難。融合是一個非常有活力的過程，控制它並不容易。聚變能在 1940 年代首次被研究；幾十年後，聚變反應堆產生的能量仍然沒有它們損失的那麼多，差距相當大，儘管差距正在縮小。

目前打破溫度記錄的聚變技術是託卡馬克，一種被困在磁場殼中的環形等離子體環，以快速脈衝高速驅動。相對簡單有助於在高溫下控制它，但僅限於爆發。

另一方面，仿星器基於由人工智慧繪製的極其複雜的磁鐵配置，可以引導等離子體以保持其流動。這些很難設計和建造，這導致仿星器以熱損失的形式洩漏了相當多的聚變產生的能量。

溫德爾斯坦 7-X（伯恩哈德路德維希/馬克斯普朗克等離子體物理研究所）

熱量損失是一種稱為新古典傳輸過程的結果，在該過程中，聚變反應堆中的碰撞離子導致等離子體向外擴散。它在仿星器中的影響比在託卡馬克中更大。

由於託卡馬克自身效率低下，PPPL 和馬克斯普朗克等離子體物理研究所的研究人員試圖塑造 W7-X 中的磁鐵，以嘗試減少新古典傳輸的影響。現在，使用稱為 X 射線成像晶體光譜儀 （XICS） 的儀器進行的測量顯示，反應堆內的溫度非常高。

這些由電荷交換重組光譜 （CXRS） 測量支援，被認為比 XICS 測量更準確，但不能在所有條件下進行。但在兩個資料集一致的情況下，仿星器似乎能夠達到近 3000 萬開爾文的溫度。

研究小組發現，這隻有在新古典主義運輸急劇減少的情況下才有可能。他們進行了建模以確定如果 W7-X 沒有得到最佳化，新古典傳輸會損失多少熱量，並發現 3000 萬開爾文遠遠超出了預期。

Pablant 說：這表明 W7-X 的最佳化形狀減少了新古典傳輸，並且對於 W7-X 實驗中看到的效能是必要的，這是一種展示最佳化重要性的方式。

這一令人興奮的結果代表了改進仿星器設計的重要一步，它將為未來的努力提供資訊和塑造。

這也是朝著實用聚變反應堆邁出的重要一步，儘管還有很多工作要做。聚變反應堆要實用，不僅需要高溫，還需要合適的等離子體密度和合適的限制時間。雖然託卡馬克執行得更熱，但減少能量損失可確保仿星器技術仍然具有優勢。

帕布蘭特說：減少新古典主義運輸並不是你唯一要做的事情，還有一大堆其他目標需要展示，包括穩定執行和減少湍流運輸。

由於目前正在開發不同的核聚變反應堆技術，其中之一交付似乎只是時間問題。聚變產生的能量到達我們的電網可能還需要一段時間，但當它到達時，它很可能會改變世界。

W7-X 目前正在進行升級，並將於 2022 年重新開始運營。