引言近日普林斯顿等离子体物理实验室PPPL发文称他们为聚变点火找到了一条可能更省能量的路径——其做法是颠倒传统顺序先加热等离子体再提高其密度。PPPL计算显示改变加热与压缩的先后顺序可能明显降低达到自持聚变反应所需的能量。文章同时提出钨的浓度只要到万分之一点火所需的压力就大约翻一倍而把分析推广到三维后这个压力还可能超过等离子体维持稳定所允许的极限。备注研究者为PPPL物理学家Luis Delgado-Aparicio、Masayuki Ono、Jonathan Menard相关成果发表于《物理评论快报》Physical Review Letters。快讯七十多年来聚变研究人员依赖劳森判据来判断等离子体能否在足够高的温度和密度下维持足够长的时间从而在不额外外部加热的情况下维持聚变。它给出了实现点火需要满足的条件却没有回答一个问题——用哪条路去满足这些条件最省近日PPPL 物理学家Luis Delgado-Aparicio、Masayuki Ono和Jonathan Menard给出了这条判据的一个更完整的版本。他们把另外四项影响聚变性能的因素一并纳入据此描绘出一条通往点火的路径所需能量可能明显低于其他方案。 聚变研究最终目标聚变反应自身产生的热量足以把这一过程维持下去不再需要外部持续加热。如何高效地走到这一步仍是聚变能研究最重要的挑战之一。Note科学家找到通往聚变点火的捷径Delgado-Aparicio把这发现比作在山里找到一条更省力的路线。想象一下聚变点火所需的能量条件是一片山地正中矗立着一座高峰目的地就在山的那一边而通往那里有好几条路可走。目前提出的很多聚变方案实际上都在尝试直接翻过这座山——先提高等离子体密度再输入达到点火所需的巨大热量。新的计算显示换一种走法可能省力得多先加热等离子体再把它压得更密。这条路线避开了能量需求最高的区域却照样能到达目标条件。很多公司想正面翻过这座山为此耗费巨大的能量Delgado-Aparicio说绕开峰顶。你用聪明得多的方式到达同一个地方而且耗能少得多。聚变物理里那道隐秘的山口研究人员在上面提到的数学地形中锁定了一个格外重要的区域称为Cordey saddleCordey鞍点。地理上鞍点是两道高地之间相对低矮的通道。在聚变物理里Cordey鞍点位于一条边界上比较容易通过的位置——这条边界的一边是仍需外部加热的等离子体另一边是能够靠自身聚变反应维持的等离子体。为了比较不同路线科学家用Q值来衡量聚变反应产生的功率是输入等离子体的外部加热功率的多少倍。举例来说Q5意味着聚变反应输出的功率是外部加热系统输入功率的五倍。在只含纯聚变燃料的理想化等离子体中Cordey鞍点大致落在Q5处。但真实装置要复杂得多等离子体中的杂质、以及极强的磁场都可能让这道山口挪动位置从而提高走到那里所需的Q值。搞清楚这些条件会怎么变对于判断一座拟建的聚变堆是否真能实现点火是绕不过去的一步。未来聚变堆更贴近实际的路线图这一结果可能影响两大类磁约束装置的设计托卡马克和仿星器。 两者都靠强磁场约束等离子体同时把它加热到聚变所需的极高温度。托卡马克形状像甜甜圈是未来聚变电站研究中最被看好的技术路线之一。研究机构和私营公司正在尝试多种从聚变取电、最终并入电网的路径。找到一条高效的点火路线有助于工程师把系统设计得更实用也少走代价高昂的弯路。对PPPL来说这项工作服务于一个更大的目标解决商业聚变发电实现之前必须跨过的科学与技术难题其中就包括未来聚变试点电厂的研发。这项研究的一个主要推进是把若干重要物理过程放在一起评估——而以往很多研究是一次只处理一个。研究人员纳入了四项额外因素它们都可能影响等离子体能否达到并维持点火氦灰积累聚变反应会生成氦。这些烧过的燃料不断堆积会稀释剩余的聚变燃料拖累性能。等离子体污染装置内壁材料中的轻、重杂质可能进入等离子体干扰聚变条件。辐射电子在磁场中运动时会发出辐射把能量带出等离子体。热损失能量会不断从等离子体逸出而且温度越高损失越大把这些效应算进去才能对未来反应堆必须达到的条件有一幅更贴近实际的图景。不考虑这些效应时你会觉得设计没问题Ono 说一旦算进去图景就变了而且变得相当关键。Ono说目标是建立一个更可靠、适用范围更广的模型供科学家在动工之前评估聚变堆设计。如果把劳森判据当成一个一成不变的门槛就会漏掉那些可能显著改变点火条件的物理过程。在设计阶段就尽早把这些效应考虑进去可以避免日后付出高昂代价。微量钨可能让聚变难上不少研究中有一项结果格外值得注意钨——这种极其耐热的金属被十多台下一代聚变装置选作内壁材料。下图WEST内部稳态托卡马克中的钨(W)环境图片来源CEA-IRFM公开资料钨的吸引力在于聚变堆要承受比太阳中心更高的等离子体温度它扛得住。但只要有极微量的钨跑进等离子体它也会带来不小的麻烦。研究团队的计算显示钨的浓度只要达到万分之一实现聚变点火所需的压力就大约翻一倍。极少的量造成了相当大的代价。这些计算最初是在二维下建立的。当研究人员把分析推广到三维后他们发现点火所需的压力可能超过等离子体维持稳定所允许的极限。这意味着看似不起眼的污染可能直接关系到某些聚变堆设计在物理上可不可行。能量损失也可能稳住热失控出乎意料的是一些让点火更困难的过程也可能让聚变堆运行得更安全、更平稳。科学家很早就开始研究控制热失控不稳定性的可能聚变反应的热量提高了反应速率反应速率提高又产生更多热量如此自我强化形成热失控。研究人员发现等离子体内部的能量损失能自然地抵消掉这一效应。这些损失虽然加大了达到点火的难度却也提供了一种平衡——让燃烧等离子体不必频繁调节就能维持稳定的运行状态。这种平衡对未来反应堆设计可能很有价值。液态锂与先进燃料可能提升聚变效率研究还指出了一些技术方向可能有助于跨过上述计算揭示的障碍。一种是给聚变堆内壁加液态锂涂层——PPPL 的研究人员已经做了多年。这类涂层可能既挡住钨进入等离子体又减少热损失从而更便于维持聚变所需的极端条件。图片来源这张 LTX-β 内部视图展示的是壳壁上的锂被清理掉、若干端口打开之后这台甜甜圈形等离子体约束装置内部的样子。图片来源Elle Starkman/PPPL Office of Communications公开资料另一条有前景的路线是自旋极化燃料在聚变发生前让燃料原子核的自旋方向趋于一致以提高聚变反应速率。这些策略合在一起可能改善未来反应堆的性能让通往点火的路径更走得通。这条新思路下一步是什么尽管结果看起来有前景但先加热这条路线还没有经过实验验证。这项研究是理论性的依据的是数学计算而不是直接的物理实验。现有的聚变实验还达不到与Cordey鞍点对应的温度因此科学家还无法在这些条件下检验所预测的路线。PPPL团队计划进一步开展数值实验——用计算机模拟来考察先加热等离子体、再提高密度能否真的带来预期优势。如果后续研究证实了这些计算该结果可能为设计更高效的聚变系统提供重要基础也帮助研究人员在反应堆建造上做出更好的决策。虽然还需要更多研究但这些结果让我们感到振奋它们为这一领域的未来研究指出了一条清晰的路径。Menard说。 这项工作由美国能源部科学办公室聚变能源科学办公室支持合同号DE-AC02-09CH11466此外还获得2015年聚变能源科学早期职业奖、2018年诊断创新与发展奖以及2021年和2025年长脉冲托卡马克研究计划的支持。