中國科學(xué)家解決聚變能源兩大難題新機制實現(xiàn)穩(wěn)定運行

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2026-05-20 11:30:39 星秘Space

科學(xué)家展示了一種新的等離子體運行機制，有望解決聚變能源面臨的兩大核心挑戰(zhàn)。在聚變反應(yīng)堆內(nèi)部，物質(zhì)被加熱到比太陽更高的溫度，并依靠強磁場進行約束。然而，如何讓這種超高溫等離子體穩(wěn)定存在足夠長的時間以產(chǎn)生可用能量，仍然是該領(lǐng)域最棘手的問題之一。其中一個關(guān)鍵難點在于，等離子體邊緣會釋放出強烈的能量爆發(fā)，可能損傷反應(yīng)堆壁。排氣系統(tǒng)還需要承受接近航天器再入大氣層時的極端熱負荷。

中國研究人員可能找到了一種應(yīng)對這兩項挑戰(zhàn)的方法。由中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院等離子體物理研究所團隊主導(dǎo)，研究人員在EAST聚變裝置上驗證了一種新的等離子體運行模式。該模式能夠降低反應(yīng)堆部件的熱沖擊、抑制不穩(wěn)定性，并保持良好的能量約束。相關(guān)成果已發(fā)表在物理評論快報上，并在金屬壁條件下穩(wěn)定維持了約一分鐘。

聚變反應(yīng)依賴磁場約束等離子體。要實現(xiàn)持續(xù)運行，不僅需要維持高溫和高約束，還必須安全地將多余的熱量和粒子從邊緣區(qū)域排出。其中最脆弱的部位之一是偏濾器，它負責(zé)處理逸出的熱量和粒子。在常規(guī)狀態(tài)下，這一區(qū)域承受極高熱通量，容易對材料造成損傷。通常，研究人員會注入少量雜質(zhì)氣體，通過“脫離”過程降低溫度，但過度冷卻會削弱等離子體性能。

另一大難題是邊緣局域模（ELM），即等離子體邊緣突發(fā)的熱量和粒子釋放，類似太陽耀斑。這種現(xiàn)象常出現(xiàn)在高約束模式（H模）中，而H模正是實現(xiàn)高效能量約束的關(guān)鍵狀態(tài)。如何在不降低性能的前提下抑制ELM，一直是聚變研究中的核心問題。

在這項研究中，團隊通過精確控制向托卡馬克裝置中注入輕雜質(zhì)氣體，形成了一種新的運行狀態(tài)，即分離偏濾器與湍流主導(dǎo)基座（DTP）模式。實驗結(jié)果顯示，在實時調(diào)節(jié)氣體注入的條件下，系統(tǒng)實現(xiàn)了“部分偏濾器脫離”，顯著降低了到達偏濾器的熱負荷，同時完全抑制了ELM，并提升了基座電子溫度，從而增強了整體能量約束。

這種狀態(tài)還與封閉式偏濾器設(shè)計協(xié)同作用，有助于捕獲中性粒子，減少邊緣冷卻，并維持更陡的溫度梯度。更陡的溫度梯度會激發(fā)微尺度湍流，這種湍流能夠自然地將熱量和粒子向外輸運，從而限制壓力積累，避免ELM的觸發(fā)。

在這種機制作用下，研究人員實現(xiàn)了約一分鐘的穩(wěn)定高性能等離子體運行，這在長脈沖聚變研究中具有重要意義。研究團隊認為，這一方法為在控制熱負荷的同時維持高效約束提供了一條可行路徑，有望緩解聚變能源發(fā)展中長期存在的關(guān)鍵瓶頸。

(責(zé)任編輯：0882)

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