新发现为更紧凑的聚变发电厂指明了道路

磁笼将核聚变装置中超过100亿摄氏度的热等离子体保持在与容器壁一定距离的地方，以便它们不会熔化。现在，马克斯普朗克等离子体物理研究所(IPP)的研究人员已经找到了一种显着缩短这一距离的方法。这使得建造更小、更便宜的聚变反应堆用于能源生产成为可能。这项工作发表在《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代表了在聚变发电厂中产生能量的最先进方法。该设计遵循托卡马克原理，即超过100亿度的聚变等离子体被限制在形状像甜甜圈的磁场中。这一概念可防止热等离子体与封闭壁接触并损坏其。在慕尼黑附近加兴的IPP进行的ASDEX升级托卡马克实验是ITER和后来的聚变发电厂的蓝图。ITER的重要元素就是在这里开发的。今天已经可以测试后续发电厂的等离子体操作条件和组件。

热等离子体靠近分流器

ASDEX升级和所有现代磁聚变设施的核心要素是分流器。这是容器壁的一部分，特别耐热，需要精心设计。“在分流器处，来自壁上等离子体的热量到达。在后来的发电厂中，聚变产物氦-4也将在那里提取，“IPP等离子体边缘和壁部门负责人Ulrich Stroth教授解释说。“在这个地区，墙上的负荷特别高。因此，ASDEX Upgrade和ITER的分流砖由钨制成，钨是熔化温度最高的化学元素(3422°C)。

如果没有对策，等离子体20%的聚变功率将到达分流器表面。在每平方米约200兆瓦时，这将与太阳表面的条件大致相同。然而，ITER中的分流器和未来的聚变发电厂最多只能应对每平方米10兆瓦的功率。因此，将少量杂质(通常是氮气)添加到等离子体中。这些通过将大部分热能转化为紫外线来提取其大部分热能。然而，等离子体边缘(分离器)必须与分流器保持一定距离以保护它。到目前为止，在ASDEX升级版中，这至少是25厘米(从下等离子尖端(X点)到分流器的边缘测量)。

X点散热器为聚变反应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个距离缩短到5厘米以下，而不会损坏墙壁。“我们专门使用X点散热器，这是我们大约十年前在ASDEX Upgrade实验中发现的现象，”IPP研究员Matthias Bernert博士说。“当添加氮气的量超过一定值时，X点散热器就会出现在特殊形状的磁笼中。”

这导致形成一个小而密集的体积，在紫外线范围内辐射特别强烈。“这些杂质给我们的等离子体特性有些差，但是如果我们通过改变氮气注入将X点散热器设置为固定位置，我们可以在不损坏设备/分流器的情况下以更高的功率运行实验，”Bernert博士解释说。

在真空容器的相机图像中，X点散热器(简称XPR)可以看作是等离子体中的蓝色发光环，因为它除了紫外线辐射外还发出一些可见光。IPP研究人员最近对XPR进行了深入研究。尽管如此，机会在目前的发现中也发挥了作用：“我们不小心将等离子体边缘移近了我们的预期，”IPP物理学家Tilmann Lunt博士说。

“我们非常惊讶ASDEX升级能够毫无问题地解决这个问题。由于这种效应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以前假设的要多得多。然后等离子体向各个方向辐射高达90%的能量。

聚变发电厂可以建造得更紧凑、更便宜

这导致了可能对未来聚变发电厂的建设非常有利的结论：

分流器可以比以前建造得更小，技术上更简单(紧凑型辐射分流器)。

由于等离子体靠近分流器，因此可以更好地利用真空容器体积。初步计算表明，如果容器形状最佳，则可以在保持相同尺寸的同时使等离子体体积几乎翻倍。这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，使用X点散热器还有助于防止边缘局部模式(ELM)：等离子体边缘的剧烈能量爆发，定期重复，并将大约十分之一的等离子体能量喷射到壁上。ITER和未来的聚变反应堆将受到这种喷发的破坏。

“我们正在处理聚变研究的一项重大发现，”因此也是IPP部门主任Ulrich Stroth的结论。“X点散热器为我们开发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 Upgrade的新实验更好地理解它。加兴托卡马克将很快为此配备理想装备：到 2024 年夏季，它将配备新的上部转向器。其特殊的线圈将使靠近分流器的磁场自由变形，从而优化X点散热器的条件。