韩国KSTAR聚变研究装置已实现30秒1亿℃条件维持

韩国超导托卡马克高级研究实验（图自：Korea Institute of Fusion Energy）

学界普遍推测，商用核聚变还要数十年才能走向现实。但在此期间，我们在理解和结果方面的渐进式进展也在不断涌现。

比如 2021 年进行的一项实验，就已经实现了能量输入与输出的自维持，现研究团队正在制定商业反应堆的概念设计。与此同时，法国大型 ITER 实验性聚变反应堆的工作也在有条不紊的推进中。

研究配图 1 - 托卡马克几何结构与 FIRE 模式的参数演变（来自：Nature）

据悉，对等离子体的控制，是聚变反应堆研究中的一个难点。若接触到器壁，等离子体就会迅速冷却、抑制反应、并对容纳它的腔室造成重大损害。

研究人员通常使用各种形式的磁场来控制等离子体，比如借助 ETB 边缘传输屏障。它能够在反应器壁附近形成压力急剧截止的等离子体，这种状态可阻止热量和等离子体的逸出。

其次是 ITB 内部传输屏障，该方案可在靠近等离子体中心的地方产生更高的压力 —— 但两者都难以避免不稳定的问题。

研究配图 2 - FIRE 模式与混合模式之间的比较

好消息是，Yong-Su Na 团队在韩国超导托卡马克高级研究（KSTAR）的实验装置上，成功运用了改进后的 ITB 技术。

通过实现低得多的等离子体密度，他们的方案似乎提高了等离子体的核心温度、并降低了边缘的温度，因而有望延长聚变反应堆的组件寿命。

伦敦帝国理工学院的 Dominic Power 表示，为增加反应堆的能量输出，你可以让等离子体变得极热、致密、或增加限制时间。

研究配图 3 - 快离子与电子密度之比

不过这支韩国研究团队发现，密度限制实际上比传统的操作模式要低一些，而这不一定是坏事 —— 因为它可以通过核心中更高的温度来补偿，这绝对是一项振奋人心的进展。

只是我们对物理学的理解能否扩展到更大的设备上，目前仍存在着很大的不确定。所以像 ITER 之类的装置，其体型要比 KSTAR 要大得多。

Yong-Su Na 补充道，低密度是这项研究的一个关键。而等离子体核心的“快速”（或更高能的）离子 —— 即所谓的快速离子调节增强（FIRE）—— 则是维持反应器稳定性不可或缺的一部分。

研究配图 4 - FIRE 模式的旋动模拟结果

目前该团队尚未完全了解其中涉及的机制，且由于硬件的限制，反应会在 30 秒后停止。展望未来，KSTAR 有望达成更耀眼的成就。

现在 KSTAR 正在停机升级，通过将反应器壁上的碳成分换为钨，Yong-Su Na 表示此举将提升实验的可重复性。

扩展数据图 1 - KSTAR 装置的外内部视图

最后，英国曼彻斯特大学的 Lee Margetts 表示：

聚变反应堆的物理特性正在逐渐深入人心，但在建造一座切实可行的聚变反应电厂之前，仍需克服一些技术障碍。

其中包括如何从中提取热量，并用它来产生电流的方法。显然到了这一步，研究的重点将更侧重于工程学、而不是物理学。