世界速看：韓國KSTAR聚變研究裝置已實現30秒1億℃條件維持

韓國超導托卡馬克高級研究實驗（圖自：Korea Institute of Fusion Energy）

【資料圖】

學界普遍推測，商用核聚變還要數十年才能走向現實。但在此期間，我們在理解和結果方面的漸進式進展也在不斷涌現。

比如 2021 年進行的一項實驗，就已經實現了能量輸入與輸出的自維持，現研究團隊正在制定商業反應堆的概念設計。與此同時，法國大型 ITER 實驗性聚變反應堆的工作也在有條不紊的推進中。

研究配圖 1 - 托卡馬克幾何結構與 FIRE 模式的參數演變（來自：Nature）

據悉，對等離子體的控制，是聚變反應堆研究中的一個難點。若接觸到器壁，等離子體就會迅速冷卻、抑制反應、并對容納它的腔室造成重大損害。

研究人員通常使用各種形式的磁場來控制等離子體，比如借助 ETB 邊緣傳輸屏障。它能夠在反應器壁附近形成壓力急劇截止的等離子體，這種狀態可阻止熱量和等離子體的逸出。

其次是 ITB 內部傳輸屏障，該方案可在靠近等離子體中心的地方產生更高的壓力 —— 但兩者都難以避免不穩定的問題。

研究配圖 2 - FIRE 模式與混合模式之間的比較

好消息是，Yong-Su Na 團隊在韓國超導托卡馬克高級研究（KSTAR）的實驗裝置上，成功運用了改進后的 ITB 技術。

通過實現低得多的等離子體密度，他們的方案似乎提高了等離子體的核心溫度、并降低了邊緣的溫度，因而有望延長聚變反應堆的組件壽命。

倫敦帝國理工學院的 Dominic Power 表示，為增加反應堆的能量輸出，你可以讓等離子體變得極熱、致密、或增加限制時間。

研究配圖 3 - 快離子與電子密度之比

不過這支韓國研究團隊發現，密度限制實際上比傳統的操作模式要低一些，而這不一定是壞事 —— 因為它可以通過核心中更高的溫度來補償，這絕對是一項振奮人心的進展。

只是我們對物理學的理解能否擴展到更大的設備上，目前仍存在著很大的不確定。所以像 ITER 之類的裝置，其體型要比 KSTAR 要大得多。

Yong-Su Na 補充道，低密度是這項研究的一個關鍵。而等離子體核心的“快速”（或更高能的）離子 —— 即所謂的快速離子調節增強（FIRE）—— 則是維持反應器穩定性不可或缺的一部分。

研究配圖 4 - FIRE 模式的旋動模擬結果

目前該團隊尚未完全了解其中涉及的機制，且由于硬件的限制，反應會在 30 秒后停止。展望未來，KSTAR 有望達成更耀眼的成就。

現在 KSTAR 正在停機升級，通過將反應器壁上的碳成分換為鎢，Yong-Su Na 表示此舉將提升實驗的可重復性。

擴展數據圖 1 - KSTAR 裝置的外內部視圖

最后，英國曼徹斯特大學的 Lee Margetts 表示：

聚變反應堆的物理特性正在逐漸深入人心，但在建造一座切實可行的聚變反應電廠之前，仍需克服一些技術障礙。

其中包括如何從中提取熱量，并用它來產生電流的方法。顯然到了這一步，研究的重點將更側重于工程學、而不是物理學。