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與此同時，他們還使用強微波來加熱等離子體。強微波加熱和顆粒注入之間的精確協(xié)調(diào)，對于實現(xiàn)加熱功率和燃料供應之間的最佳平衡至關(guān)重要。

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只有當三重積超過某一特定閾值時，等離子體產(chǎn)生的聚變功率才能超過投入的加熱功率。這時，能量平衡變?yōu)檎?，聚變反應能在無需持續(xù)外部加熱的情況下自行維持。

總的來說，這不僅打破了之前的聚變記錄，也為反應堆性能樹立了新的基準，使人類距離商業(yè)化、近乎無限的清潔能源更近一步。

（來源：MPI for Plasma Physics，Dinklage et al（to be publi）

三重積，也被稱為勞森判據(jù)（Lawson Criterion），是實現(xiàn)核聚變發(fā)電廠成功的關(guān)鍵指標，用于衡量等離子體實現(xiàn)聚變條件的綜合能力。三重積的定義為：三重積=等離子體密度（n）× 溫度（T）× 能量約束時間（τ）。

而用于計算三重積的測量數(shù)據(jù)部分則由美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室提供，該實驗室在溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 上運行著一臺用于離子溫度診斷的 X 射線光譜儀，所需的電子密度數(shù)據(jù)則來自德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所的干涉儀。與此同時，用于計算三重積的能量約束時間，也是通過馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊開發(fā)的診斷工具來確定的。

https://www.ipp.mpg.de/1084836/klinger

馬克斯·普朗克等離子體物理研究所仿星器動力學與輸運部門負責人、溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 運行主管托馬斯·克林格（Thomas Klinger）表示：“這一新紀錄是由我們團隊在內(nèi)的國際團隊取得的巨大成就，它證明溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 能在長等離子體脈沖期間將三重積提升至托卡馬克水平，標志著我們在邁向具備發(fā)電廠能力的仿星器道路上又邁出了重要一步。”

三重積由三個因素得出：等離子體的粒子密度（n）、溫度（T，發(fā)生聚變反應的離子的溫度）和能量限制時間（τ），即在不提供額外熱量的情況下熱能從等離子體中逸出所需的時間。正因此，約束時間是衡量熱絕緣性能的一個指標。對于聚變發(fā)電廠來說，所需要的閾值為：n?T?τ=3×1021 m?3 keV s。

近日，德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（IPP，Institute for Plasma Physics）使用一款名為溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的仿星器完成了一項實驗，在長等離子體放電中創(chuàng)造了三重積的新世界紀錄，將這一核聚變關(guān)鍵參數(shù)的新峰值維持了 43 秒。這意味著在更長的等離子體持續(xù)時間內(nèi)，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 仿星器超過了當前最主流的磁約束核聚變裝置托卡馬克（Tokamak）的最佳性能。

其中，一種新型顆粒注射器發(fā)揮了關(guān)鍵作用，它能將冷凍的氫顆粒注入等離子體中，通過持續(xù)補充燃料實現(xiàn)較長的等離子體持續(xù)時間。

https://www.livescience.com/planet-earth/nuclear-energy/nuclear-fusion-record-smashed-as-german-scientists-take-a-significant-step-forward-to-near-limitless-clean-energy

里程碑之二是：在整個等離子體體積范圍內(nèi)，等離子體壓力與磁壓力的比值首次達到 3%。在一系列實驗中，磁場被有意降低至大約 70%，以便能夠降低磁壓力并使等離子體壓力上升。此次新紀錄的達成還伴隨著大約 4000 萬攝氏度的離子溫度峰值。

據(jù)了解，仿星器（Stellarator）是一種利用復雜三維磁場約束等離子體來實現(xiàn)受控核聚變的裝置，與托卡馬克并列為當今兩大主流磁約束聚變方案。

里程碑之一是：能量轉(zhuǎn)換增加到 1.8 千兆焦耳，高于 2023 年 2 月的 1.3 千兆焦耳的更早記錄，等離子體持續(xù)時間為 360 秒。該團隊還表示：“溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 甚至略微超過了中國托卡馬克‘人造太陽’EAST 放電的相應最佳值?！?/p>

需要說明的是，此次能夠成功使用顆粒注入技術(shù)，也得益于歐洲多家科研機構(gòu)的先期研究，包括西班牙能源、環(huán)境與技術(shù)研究中心的模擬計算，以及匈牙利能源研究中心（HUN-REN）通過超高速攝像設(shè)備取得的觀測數(shù)據(jù)。

在通往核聚變電站的道路上，仿星器是最具前景的設(shè)計方案之一，預計這類裝置有望通過輕原子核聚變產(chǎn)生可用能源。

如前所述，這一長脈沖三重積世界紀錄是通過馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊與外部團隊的合作實現(xiàn)的。

（來源：MPI for Plasma Physics，Beate Kemnitz）

馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊表示，盡管歐洲聯(lián)合環(huán) JET 的等離子體容積是溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的三倍，但是在關(guān)乎未來核電站實用化的長脈沖等離子體維持上，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 現(xiàn)已取得領(lǐng)先優(yōu)勢。需要說明的是，在核聚變反應堆中，更大的裝置尺寸通常更易實現(xiàn)高溫等離子體，這使得溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的突破更加具有里程碑意義。

成功關(guān)鍵：新型顆粒注射器

總的來說，這次實驗活動打破的記錄不僅僅是數(shù)字，它也代表了驗證仿星器概念的重要一步。這一成果證明仿星器在穩(wěn)態(tài)運行方面具有獨特優(yōu)勢，而托卡馬克僅在短脈沖中保持領(lǐng)先。因此，這一成果是仿星器邁向電站級設(shè)計的重要里程碑，證明其的確可以媲美托卡馬克的性能。下一步，研究團隊還計劃進一步延長等離子體持續(xù)時間，并解決一些工程可靠性問題。

（來源：MPI for Plasma Physics，Jan Hosan）

隸屬于美國能源部的美國橡樹嶺國家實驗室獨創(chuàng)了這種高精度注射器，并在溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 上實現(xiàn)了成功投用。

（來源：MPI for Plasma Physics，Jan Hosan）

另據(jù)悉，此次使用的微波加熱系統(tǒng)（確切來說是電子回旋共振系統(tǒng)），由德國卡爾斯魯厄理工學院團隊和德國斯圖加特大學團隊合作開發(fā)而來，它被視為“將等離子體加熱至核聚變所需溫度”的最具前景性方法。實驗中，等離子體溫度被提升至超過 2000 萬攝氏度，峰值達到了 3000 萬攝氏度。

而此次突破的關(guān)鍵在于首次實現(xiàn)了可編程脈沖頻率調(diào)節(jié)的顆粒注入系統(tǒng)的精準運行，這一方案有著極高的執(zhí)行精度，這種方法與核聚變反應堆有著直接相關(guān)性，并且有望將等離子體持續(xù)時間延長至幾分鐘。

顆粒噴射器確保能夠穩(wěn)定地向等離子體供應氫粒子，這也是未來聚變發(fā)電廠的一項關(guān)鍵要求。該裝置能夠持續(xù)形成直徑為 3 毫米的冷凍氫體，并以每秒數(shù)次的頻率切割出 3.2 毫米長的圓柱形顆粒，然后以每秒 300 到每秒 800 米的速度將其發(fā)射進等離子體中。

何為仿星器和三重積？

據(jù)了解，托卡馬克裝置同樣采用磁約束方式，但由于結(jié)構(gòu)更為簡單，其研究成熟度遠高于仿星器。目前，三重積的最高紀錄仍由日本已退役的 JT60U（2008 年停止運行）和英國歐洲聯(lián)合環(huán) JET 裝置（2023 年退役）保持，這些裝置在短短數(shù)秒的等離子體維持時間內(nèi)就達到峰值性能，直到現(xiàn)在仍然是該領(lǐng)域的領(lǐng)跑者。

本次實驗中，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 的設(shè)計目標是通過實驗驗證仿星器能否實現(xiàn)理論預測的卓越性能，從而證明其作為未來聚變電站設(shè)計方案的可行性。

仿星器的相關(guān)反應必須在等離子體中發(fā)生，等離子體是一種被加熱到數(shù)千萬攝氏度的電離粒子熱氣體。仿星器使用磁約束來維持等離子體，等離子體被一個復雜而強大的磁場捕獲，漂浮在一個甜甜圈形狀一般的環(huán)形真空室內(nèi)。

與此同時，溫德爾斯坦（Wendelstein）7-X 還實現(xiàn)了其他兩個里程碑：

實驗中，馬克斯·普朗克等離子體物理研究所團隊使用上述注射器在 43 秒內(nèi)注入了約 90 個冷凍氫顆粒，每顆冷凍氫顆粒的尺寸大約為 1 毫米。