2024年5月6日，美國(guó)能源部的普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）宣布了一個(gè)重大消息-科學(xué)家們?cè)谝环N內(nèi)襯是鎢材料的核聚變裝置（WEST）中實(shí)現(xiàn)了新的突破。鎢因其特性，被視為未來(lái)商用核聚變反應(yīng)堆的理想候選材料，這一發(fā)現(xiàn)為核聚變成為可持續(xù)能源提供了新的希望。
在實(shí)驗(yàn)中，研究人員向裝置注入了1.15千焦的能量，成功維持了一個(gè)溫度高達(dá)五千萬(wàn)攝氏度的熱聚變等離子體長(zhǎng)達(dá)六分鐘的運(yùn)行，這一持續(xù)時(shí)間比之前的記錄提升了15%，同時(shí)等離子體的密度也增加了一倍。
WEST實(shí)驗(yàn)裝置由法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）運(yùn)營(yíng)。PPPL與CEA在WEST項(xiàng)目上有著緊密的合作關(guān)系。該項(xiàng)目是國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)（IAEA）支持的CICLOP計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃旨在應(yīng)對(duì)和解決長(zhǎng)期聚變實(shí)驗(yàn)中遇到的挑戰(zhàn)。
“我們迫切需要開(kāi)發(fā)一種新的、穩(wěn)定且持續(xù)的能源解決方案，”CEA的科學(xué)家、CICLOP項(xiàng)目的主席XavierLitaudon強(qiáng)調(diào)。他提到，盡管實(shí)驗(yàn)中帶來(lái)了一定的挑戰(zhàn)，但PPPL在WEST裝置上取得的成果令人鼓舞，顯示出了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定聚變狀態(tài)的可能性。
法國(guó)原子能委員會(huì)的RemiDumont，也是本次實(shí)驗(yàn)的科學(xué)協(xié)調(diào)員，對(duì)這一成就給予了高度評(píng)價(jià)，稱(chēng)其為“非常壯觀的成果”。
PPPL團(tuán)隊(duì)采用了一種新的測(cè)量方法來(lái)分析等離子體輻射的多個(gè)特性，其中包括一個(gè)由DECTRIS公司生產(chǎn)的定制X射線探測(cè)器。這一技術(shù)的應(yīng)用對(duì)于*測(cè)量和控制等離子體的特性至關(guān)重要。
研究人員將在未來(lái)的幾周內(nèi)發(fā)表相關(guān)論文，詳細(xì)介紹他們的研究成果，這將為核聚變科學(xué)領(lǐng)域提供寶貴的數(shù)據(jù)和見(jiàn)解。
普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的科研團(tuán)隊(duì)正在開(kāi)發(fā)新型X射線探測(cè)工具，旨在提升全球托卡馬克裝置和仿星器的性能。LuisDelgado-Aparicio，PPPL的先進(jìn)項(xiàng)目負(fù)責(zé)人及X射線探測(cè)器項(xiàng)目的首席科學(xué)家指出，這些工具的開(kāi)發(fā)是實(shí)驗(yàn)室在等離子體診斷技術(shù)上*地位的一個(gè)體現(xiàn)，尤其是在*測(cè)量高溫聚變等離子體特性方面。
DECTRIS公司的銷(xiāo)售負(fù)責(zé)人NicolasPilet贊揚(yáng)了聚變等離子體研究在采用混合光子計(jì)數(shù)技術(shù)方面的先驅(qū)作用，這項(xiàng)技術(shù)對(duì)于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)等離子體行為非常關(guān)鍵。他對(duì)于PPPL在WEST裝置上取得的成果表示祝賀，并強(qiáng)調(diào)了這一科學(xué)領(lǐng)域的發(fā)展對(duì)人類(lèi)未來(lái)的重要意義。Pilet表示，DECTRIS公司對(duì)于能夠支持這一科學(xué)發(fā)展感到自豪，并對(duì)與PPPL的合作充滿期待。
科學(xué)家們正面臨著在聚變反應(yīng)中有效提取熱量的挑戰(zhàn)——必須在比太陽(yáng)核心更高的溫度下持續(xù)足夠長(zhǎng)的時(shí)間，以確保其經(jīng)濟(jì)可行性。PPPL的*新研究成果，特別是在高溫等離子體控制技術(shù)上的進(jìn)步，為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
先前的托雷·蘇普拉（ToreSupra）裝置雖然實(shí)現(xiàn)了較長(zhǎng)的聚變反應(yīng)時(shí)間，但其內(nèi)部使用的石墨材料并不適合大型聚變反應(yīng)堆。石墨雖有助于延長(zhǎng)運(yùn)行時(shí)間，卻容易在壁內(nèi)吸附燃料，這對(duì)于需要高效回收氚并重新引入等離子體的大型反應(yīng)堆來(lái)說(shuō)是非常不利的。相比之下，鎢的優(yōu)勢(shì)在于其吸附燃料的量要少得多，但鎢的微粒如果進(jìn)入等離子體，其輻射可能會(huì)迅速降低等離子體的溫度。
LuisDelgado-Aparicio指出，與碳相比，鎢壁環(huán)境面臨的挑戰(zhàn)要大得多。他形象地比喻說(shuō)：“這就像是在家撫摸你的小貓，與試圖馴服一頭*兇猛的獅子之間的差別。”這表明，盡管鎢作為反應(yīng)堆內(nèi)壁材料具有明顯優(yōu)勢(shì)，但其應(yīng)用也伴隨著技術(shù)上的難關(guān)，需要科研人員進(jìn)行深入研究和創(chuàng)新解決方案
創(chuàng)新的診斷技術(shù)記錄了這次放電過(guò)程
在*近一次的實(shí)驗(yàn)中，普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的科學(xué)家們采用了一種創(chuàng)新的測(cè)量技術(shù)，這項(xiàng)技術(shù)涉及到對(duì)DECTRIS公司生產(chǎn)的X射線探測(cè)器進(jìn)行定制改裝。改裝工作由Delgado-Aparicio及其團(tuán)隊(duì)成員，包括TullioBarbui、OulfaChellai和NovimirPablant共同完成。這個(gè)設(shè)備-ME-SXR能夠測(cè)量等離子體發(fā)出的X射線輻射，從而讓研究人員能夠推斷出等離子體的核心電子溫度等關(guān)鍵特性。
與通常配置為統(tǒng)一能量水平的DECTRIS標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備不同，PPPL團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)的新技術(shù)能夠?qū)γ總�(gè)像素進(jìn)行獨(dú)立的校準(zhǔn)。這種方法相較于WEST裝置中使用的現(xiàn)有技術(shù)具有明顯優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗灰资艿缴漕l波的干擾，這些射頻波在等離子體加熱過(guò)程中是常見(jiàn)的。
Barbui強(qiáng)調(diào)，在長(zhǎng)達(dá)六分鐘的放電過(guò)程中，團(tuán)隊(duì)能夠穩(wěn)定地測(cè)量到中心電子溫度，該溫度維持在大約4千伏，這一結(jié)果是實(shí)驗(yàn)中一個(gè)顯著的成就。這表明PPPL在等離子體診斷技術(shù)上取得了重要進(jìn)展，為核聚變研究提供了新的*測(cè)量手段。
尋找合適的光子能量范圍
普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的科學(xué)家們開(kāi)發(fā)了一項(xiàng)新的診斷技術(shù)，用于探測(cè)等離子體中產(chǎn)生的Bremsstrahlung（軔致輻射），這種輻射發(fā)生于電子改變方向并減速時(shí)。由于等離子體和用作壁材的鎢都會(huì)發(fā)出軔致輻射，因此區(qū)分并準(zhǔn)確測(cè)量來(lái)自等離子體的輻射成為了關(guān)鍵點(diǎn)。
LuisDelgado-Aparicio解釋說(shuō)，他們發(fā)現(xiàn)11至18千電子伏特（keV）的光子能量范圍是研究等離子體核心輻射的一個(gè)未被充分探索的領(lǐng)域。
TullioBarbui指出，與通常只做兩次測(cè)量相比，這次實(shí)驗(yàn)中他們進(jìn)行了一系列的測(cè)量，這在技術(shù)上就是一個(gè)突破。這種連續(xù)的測(cè)量方法提供了更豐富的數(shù)據(jù)，有助于更深入地理解等離子體的特性。這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用不僅增強(qiáng)了對(duì)等離子體核心區(qū)域電子溫度的測(cè)量精度，而且還展示了PPPL在等離子體診斷領(lǐng)域的專(zhuān)業(yè)能力和創(chuàng)新精神，為核聚變能源的研究和應(yīng)用提供了重要的技術(shù)支持。
PPPL的LuisDelgado-Aparicio特別指出，他們開(kāi)發(fā)的探測(cè)器具有一種特殊的校準(zhǔn)技術(shù)，使得能夠?qū)?1到18千電子伏特（keV）的每個(gè)能量級(jí)進(jìn)行*測(cè)量，同時(shí)對(duì)整個(gè)截面進(jìn)行采樣，實(shí)現(xiàn)每秒大約10次的測(cè)量頻率。該技術(shù)的關(guān)鍵是在將*低11keV能量的強(qiáng)度作為基準(zhǔn)水平的基礎(chǔ)上，對(duì)其他七個(gè)能量級(jí)的強(qiáng)度進(jìn)行比較分析，從而在每個(gè)視點(diǎn)同步產(chǎn)生七個(gè)溫度讀數(shù)，顯著提升了測(cè)量的準(zhǔn)確性。
Delgado-Aparicio表示，這種創(chuàng)新的測(cè)量功能已經(jīng)準(zhǔn)備好在全球范圍內(nèi)的眾多設(shè)備上推廣。通過(guò)八個(gè)不同強(qiáng)度的測(cè)量，研究團(tuán)隊(duì)得到了核心等離子體溫度的*佳擬合結(jié)果，確定溫度維持在4到4.5千伏之間，即大約五千萬(wàn)度，并且這種狀態(tài)能夠穩(wěn)定持續(xù)多達(dá)六分鐘。
這些*的診斷讀數(shù)不僅可以用于計(jì)算等離子體中電子的溫度，還可以用于測(cè)量等離子體的電荷量以及等離子體中雜質(zhì)的密度，尤其是那些來(lái)自托卡馬克裝置壁上的鎢元素的雜質(zhì)。這些成果對(duì)于優(yōu)化核聚變反應(yīng)堆的設(shè)計(jì)和操作具有重要的指導(dǎo)意義。
PPPL開(kāi)發(fā)的這一獨(dú)特系統(tǒng)是*能夠區(qū)分能量的設(shè)備，RemiDumont對(duì)此評(píng)價(jià)道：“這是非常壯觀的�！彪m然這些數(shù)據(jù)可以通過(guò)其他幾種診斷技術(shù)間接獲得，并通過(guò)模型分析得到支持，但Dumont認(rèn)為這種新方法更為“直接”。
TullioBarbui指出，未來(lái)實(shí)驗(yàn)中，這種診斷設(shè)備有望收集到更多信息。他解釋說(shuō)：“這臺(tái)探測(cè)器具有獨(dú)特的靈活性，能夠根據(jù)實(shí)驗(yàn)需求，用多個(gè)等級(jí)的能量來(lái)測(cè)量同一個(gè)等離子體。目前，我們選擇了八種進(jìn)行測(cè)量，但實(shí)際上我們可以選擇十種甚至十五種�！�
CICLOP項(xiàng)目的主席XavierLitaudon對(duì)于能夠采用這樣的先進(jìn)診斷工具表示滿意。他說(shuō)：“實(shí)際上，這臺(tái)能量分辨相機(jī)將為我們的分析工作開(kāi)辟新的路徑�！痹趲в墟u壁的實(shí)驗(yàn)設(shè)施中進(jìn)行操作*挑戰(zhàn)性，但借助這些新的測(cè)量技術(shù)，研究人員將能夠直接測(cè)量等離子體內(nèi)的鎢含量，并深入理解鎢從反應(yīng)器壁到等離子體核心的傳輸機(jī)制。
Litaudon認(rèn)為，這些測(cè)量結(jié)果將有助于將等離子體核心中的鎢含量降至*低，以確保實(shí)現(xiàn)*佳的聚變操作條件。“得益于這些先進(jìn)的診斷工具，我們不僅可以深入理解這一問(wèn)題，還能直擊測(cè)量和模擬背后的物理本質(zhì)。”
此外，CEA的Dumont、PierreManas和TheoFonghetti所進(jìn)行的驗(yàn)算也驗(yàn)證了相關(guān)模擬結(jié)果與PPPL團(tuán)隊(duì)所報(bào)告的測(cè)量數(shù)據(jù)之間存在高度一致性。
Dumont還強(qiáng)調(diào)，ME-SXR的開(kāi)發(fā)建立在PPPL在WEST項(xiàng)目上所進(jìn)行的重要診斷研究基礎(chǔ)之上。“ME-SXR相機(jī)只是PPPL向CEA/WEST提供的更廣泛診斷技術(shù)貢獻(xiàn)中的一部分，”Dumont提到，他還提及了硬X射線相機(jī)和X射線成像晶體光譜儀�！斑@種緊密合作對(duì)我們的研究幫助巨大。有了這些診斷工具的結(jié)合，我們將能夠在等離子體中進(jìn)行極為*的測(cè)量，并實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制�！�
這項(xiàng)新技術(shù)的發(fā)展和研究項(xiàng)目是由美國(guó)能源部（DOE）資助的，Delgado-Aparicio分別在2015年和2018年獲得了該部門(mén)的早期職業(yè)獎(jiǎng)和診斷開(kāi)發(fā)資助，資助編號(hào)為DE-AC02-09CH11466。
關(guān)于法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）
法國(guó)原子能委員會(huì)（CEA）是一個(gè)多功能機(jī)構(gòu)，它為公共決策提供科學(xué)依據(jù)，并為社會(huì)關(guān)鍵領(lǐng)域，如能源、數(shù)字化轉(zhuǎn)型、健康、國(guó)防和全球安全等，提供具體的科學(xué)和技術(shù)解決方案。CEA在基礎(chǔ)研究領(lǐng)域也有所涉獵，包括生物技術(shù)與健康、材料科學(xué)、宇宙物理學(xué)、物理學(xué)和納米科學(xué)等。
CEA下屬的磁聚變研究所（IRFM）是歐洲磁聚變研究的關(guān)鍵力量，位于卡達(dá)拉舍。IRFM集結(jié)了200多名專(zhuān)家，積極參與國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）項(xiàng)目，操作JT-60SA裝置，并在EUROfusion聯(lián)盟的支持下推動(dòng)磁約束聚變研究的發(fā)展。IRFM的戰(zhàn)略活動(dòng)廣泛，目標(biāo)是為下一代聚變裝置的運(yùn)行做好準(zhǔn)備，并為全球聚變研究社區(qū)貢獻(xiàn)力量，共同推進(jìn)聚變電廠的開(kāi)發(fā)。通過(guò)這些努力，IRFM旨在為實(shí)現(xiàn)下一代清潔能源的目標(biāo)做出重要貢獻(xiàn)。
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