通過最新的聚變實驗發現，可以建造更小、更便宜的聚變堆，這引起了聚變電廠發展的變革。

1、聚變實驗新發現

“ASDEX升級”內部

磁籠可以將核聚變裝置中超過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。通過這種方法，可以建造更小、更便宜的聚變堆。這項研究發表在《物理評論快報》雜志上。

目前正在法國南部建造的國際實驗反應堆ITER，代表了聚變發電廠中最先進的發電方式。

該設計遵循托卡馬克原理，將超過1億℃的聚變等離子體限制在形狀像甜甜圈的磁場中。

這一設計方式防止了熱等離子體與容器壁接觸并損壞容器。

在德國慕尼黑的IPP進行的“ASDEX升級”(ASDEX Upgrade)托卡馬克實驗，為ITER和后來的聚變發電廠提供了發展藍圖。

ITER的重要元素就是在這里開發的。等離子體的運行條件和后期發電廠的部件今天已經可以測試了。

2、熱等離子體向偏濾器靠近

“ASDEX升級”和所有現代磁聚變設施的核心元素都是分流器。也是容器壁的一部分，該設備尤其耐熱，需要精心設計。

IPP等離子體邊緣和壁部負責人烏爾里奇·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容器壁。在以后的發電廠中，聚變產物氦-4也將在那里提取。在這個地區，壁載荷特別高。”

因此，“ASDEX升級”和ITER的偏濾器瓦都是由鎢制成的，鎢是所有化學元素中熔化溫度最高的(3422℃)。

如果沒有防護措施，等離子體20%的聚變功率將到達偏濾器表面。大約200 MW/㎡，這與太陽表面的條件大致相同。

然而，ITER中的分流器以及未來的聚變發電廠，最多只能應對10 MW/㎡的功率。

高溫超導磁體在液氮中測試(圖源：托卡馬克能源公司)

由于這個原因，少量雜質(通常是氮氣)被添加到等離子體中。它們通過將熱能轉化為紫外線來提取大部分熱能。

等離子體邊緣(分界線)必須與偏濾器保持一定距離以保護它。在迄今為止的“ASDEX升級”中，距離至少是25厘米(從較低的等離子體尖端X點到偏濾器邊緣測量)。

3、X點輻射器為聚變堆設計開辟了新的可能性

現在，IPP的研究人員已經成功地將這一距離減少到5厘米以下，而且不會損壞容器壁。

IPP研究員馬提亞·伯內特(Matthias Bernert)博士說：“我們專門使用X點輻射器，這是我們大約十年前在“ASDEX升級”的實驗中發現的現象。當添加的氮氣量超過一定值時，X點輻射器會出現在特定形狀的磁籠中。”

這在紫外線范圍內形成輻射特別強烈的小而致密的體積。

伯內特博士解釋道：“這些雜質使我們的等離子體性能稍差，但如果我們通過改變氮氣注入，將X點輻射器設置在固定位置，我們可以在不損壞裝置/分流器的情況下以更高的功率進行實驗。”

在真空容器的相機圖像中，X點輻射器(簡稱XPR)可以被視為等離子體中的一個藍色發光環，因為除了紫外線輻射外，它還發射一些可見光。

IPP研究人員最近對XPR進行了深入研究。盡管如此，偶然性也在當前的發現中發揮了作用：IPP物理學家提爾曼·倫特(Tilmann Lunt)博士說：“我們意外地將等離子體邊緣移動得比我們預期的更靠近偏濾器。”

“我們非常驚訝的是，‘ASDEX升級’能夠解決這一問題。”

因為這種影響可以在進一步的實驗中得到證實，研究人員現在知道：當X點輻射器存在時，轉化為紫外線輻射的熱能比之前假設的要多得多。然后等離子體在所有方向上輻射高達90%的能量。

4、聚變發電廠可以建造得更緊湊、更便宜

這就得出了對未來聚變發電廠的建設非常有用的結論：

分流器可以比以前制造得更小，技術也更簡單(緊湊型輻射分流器)。

因為等離子體移動得更靠近分流器，所以可以更好地利用真空容器容積。初步計算表明，如果容器形狀最佳，在保持相同尺寸的同時，幾乎可以使等離子體體積增加一倍，也將增加可實現的聚變功率。但研究人員首先必須在進一步的實驗中驗證這一點。

此外，X點輻射器的使用，也有助于對抗邊緣局域化模式(ELM)：等離子體邊緣的劇烈能量爆發，以規則的間隔出現，并將約十分之一的等離子體能量向壁排出。

ITER和未來的聚變反應堆將因此類噴發而受損。

“我們正在處理聚變研究中的一項重大發現，”因此，IPP部門主管斯特羅斯也這樣評價， “X點輻射器為我們開發電廠開辟了全新的可能性。我們將進一步研究其背后的理論，并試圖通過“ASDEX升級”的新實驗更好地理解它。”

Garching托卡馬克很快將為此提供理想的設備：到2024年夏天，它將配備一個新的上部偏濾器。它的特殊線圈可以使偏濾器附近的磁場自由變形，從而優化X點輻射器的條件。