近日，国际聚变研究领域取得重要进展，德国和美国的研究人员携手合作，在温德尔斯坦7-X(W7-X)仿星器上创造了持续时间超过30秒的最高性能持续聚变实验纪录，将时间延长至整整43秒，这一成果标志着世界向商业化聚变发电厂迈进了一步。
德国格赖夫斯瓦尔德温德尔斯坦7-X真空容器内部。(图片来源：Jan Hosan / 马克斯·普朗克等离子体物理研究所)
W7-X是一台仿星器，由位于德国的马克斯·普朗克等离子体物理研究所运营，其系统由美国能源部(DOE)设计和建造，美国普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)和橡树岭国家实验室(ORNL)在美国能源部科学办公室聚变能源科学项目的支持下参与其中。
PPPL仿星器实验部门负责人Novimir Pablant表示，若能将纪录维持30秒，就有理由相信这些等离子体状态可维持数周、数月甚至数年，因为30秒足够让科学家观察相关物理原理，且实验持续时间长到等离子体或实验条件不会再发生变化。不过，将放电时间延长到30分钟或更长时间仍存在技术挑战，这与技术可靠性有关。
此次纪录源于聚变研究人员所称的“三重乘积”，它是衡量聚变系统能否自我维持的关键指标，通过将等离子体密度、温度以及等离子体在磁场中被束缚的时间长度三个因素相乘得出。该破纪录成果适用于仿星器和托卡马克这两种聚变系统。托卡马克设计更简单，但需内部电流维持等离子体，而仿星器则利用外部磁铁使原子核融合并释放能量。此前，等离子体脉冲持续时间超过10秒的三重产品纪录保持者是英国的联合欧洲环面(JET)托卡马克装置，该装置于2023年底退役。在更适合未来核电站的更长持续时间下，W7-X装置目前处于领先地位，尽管其等离子体体积比JET装置小三倍，加热功率也低五倍。
IPP仿星器动力学和传输主管托马斯·克林格称，这项新纪录是国际团队的巨大成就，展示了温德尔斯坦7-X的潜力，在长等离子体脉冲作用下将三重产物提升至托卡马克水平，是迈向可用于发电厂的仿星器道路上的重要里程碑。
W7-X的设计旨在证明仿星器在实践中能实现理论预测的卓越性能，并成为未来聚变电站的概念。聚变反应需在等离子体中进行，等离子体由加热到数千万摄氏度的带电粒子组成，被复杂而强大的磁场捕获，漂浮在环形真空腔内。
PPPL在此次创纪录实验中发挥了关键作用，开发了ORNL颗粒喷射器的控制系统。该系统将冷冻氢颗粒喷射到等离子体中，通过持续燃料补给实现较长等离子体持续时间。Pablant表示，该控制系统类似炉子上的旋钮，可设置颗粒喷射器的参数，如喷射速率、速度以及启动和停止时间等，还控制所有真空泵，读取传感器并记录测量值。在创纪录实验中，约70个每个约1毫米大小的冷冻氢弹丸在30秒内被注入，同时微波加热等离子体，加热和弹丸注入间的精确协调对实现加热功率和燃料供应间的最佳平衡至关重要。此次实验首次以可变的预编程脉冲速率操作弹丸注入器，执行精度令人印象深刻，该方法与未来聚变系统直接相关，有望将W7-X中的等离子体持续时间延长至30分钟。
此外，PPPL还与奥本大学的Tomas Gonda合作，操作了一台X射线光谱仪，用于测量创纪录等离子体中离子的温度。该诊断工具显示，等离子体温度超过2000万摄氏度，峰值温度高达3000万摄氏度，凸显了PPPL在诊断方面的核心能力，其提供的测量系统对理解聚变所需条件至关重要。
