新華社倫敦4月29日電(記者 郭爽)美國和中國研究人員近日在英國《自然》雜志上發表論文說,他們在托卡馬克核聚變實驗中取得突破性進展,不僅提高了等離子體密度上限,同時可使等離子體保持高約束模式的穩態運行。新研究將受控核聚變技術向著商業化方向又推進一步,但能否推廣到更大規模的設備上仍有待驗證。

受控核聚變技術有望為人類提供近乎無限的清潔能源,幫助人類擺脫對化石燃料的依賴。托卡馬克反應堆是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環形裝置,被認為是利用核聚變發電的反應堆中最有前景的設計之一。在托卡馬克反應堆內,氫的同位素氘和氚被加熱到超高溫度以產生等離子體,強磁場將高溫等離子體約束在環形管道中,使其發生聚變反應。

英國《新科學家》雜志報道說,通常認為,在托卡馬克核聚變反應中存在一個等離子體密度臨界點,即“格林沃爾德極限”。實驗表明,增加等離子體的密度可以提高能量產出。然而當等離子體密度達到“格林沃爾德極限”后將無法進一步提升,否則等離子體就會逃脫磁場約束,造成反應堆損壞。

在最新研究中,美國通用原子公司、勞倫斯利弗莫爾國家實驗室和中國科學院等離子體物理研究所等機構參與的團隊成功讓美國杜布萊特III-D托卡馬克核聚變實驗裝置在等離子體平均密度比“格林沃爾德極限”提高20%的情況下,穩定運行了2.2秒;同時還實現了能量約束水平比標準的高約束模式高出約50%。

據報道,研究人員嘗試將已有的不同方法結合起來,創造出一種新的運行機制。他們通過提高“甜甜圈”形狀等離子體的核心部位密度來增加能量輸出,同時允許等離子體密度在靠近安全殼的邊緣下降,從而避免等離子體逃逸。他們還向等離子體中注入氘氣,以平息特定部位的反應。

研究人員指出,該運行機制可以支持世界上現有核聚變反應堆設計中的一些關鍵要求,并為生產具有經濟吸引力的聚變能源開辟了一條潛在途徑。