无限能源时代还远吗？可控核聚变效率大幅提升，ITER成试验先锋

未来世界是什么样的呢？面对21世纪的最大挑战之一的能源困境，一种能够造福全人类的新能源亟待发展。如今，越来越多的科学家普遍认同一个事实，即可控核聚变将是未来世界的首选。近日，美国科学家在可控热核聚变领域再次取得的一定突破，让这种取之不尽、用之不竭的未来能源离我们更进一步。

核聚变作为一种生产清洁能源的方式受到了科学家的极大热捧，但目前仍存在一系列难以克服的困难，如高能粒子反应过程中能量的泄露问题，这导致整个体系的效率十分低下，难以实现更进一步发展。

根据美国能源部（DOE）发表在Physics of Plasmas杂志上的一项研究显示，美国科学家们已经找到了将高能粒子更好限制在反应器中合理位置的方法。这项新研究可以大大提升核聚变反应堆的效率。例如国际热核聚变反应堆计划（ITER）就打算采用这一研究成果，ITER计划是法国目前正在建设的一个当今世界最大规模的开创性大科学工程设施。值得一提的是，该计划吸引了包括中国、欧盟、日本、韩国、印度、俄罗斯和美国等世界主要核国家和世界科技强国共同参与，堪称科学界的一次盛会。

中国政府宣布投入10亿美元参与ITER计划的运作，这是迄今中国投入最大的国际大科学工程。参与该计划研究工作的包括中国科学院等离子体物理研究所、核工业西南物理研究院等中国研究机构。

以前，核聚变反应堆中可以产生一种波来推动高能粒子。反应装置内部产生的这种波具有十分强的负面效果，可以将等离子体向反应装置外源推动并使其聚合，进而导致等离子体的外泄，造成能量的大量损失。

而DOE对这种负效应波进行了可跟踪和预测的计算机复杂模拟，为物理学家提供了一种全新途径来防止能量的泄露，更好的约束高能粒子的运动范围。研究人员表示，希望他们的工作能够帮助更好的建立ITER。ITER预计将于2025年首次上线。

对此，美国普林斯顿等离子体物理实验室的物理学家兼该论文的合著者Nikolai Gorelenkov表示：“ITER未来将应用到这项研究成果，我们的保守预测ITER需要的能量约为现有的托卡马克装置的100万倍。这是一个前所未有的计算值，我们也必须找到使模拟更容易完成的方法。”

而托卡马克是一种利用磁约束来实现受控核聚变的环性容器。它的名字Tokamak 来源于环形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、线圈(kotushka)。最初是由位于苏联莫斯科的库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人在20世纪50年代发明的。托卡马克的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。在通电的时候托卡马克的内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。

毫无疑问，核聚变是一种潜力无穷的清洁能量，未来若投入商用势必在整个能源领域掀起一场风暴，打乱整个能源行业规则，带来的社会影响将是颠覆性的。

作者/朱张航宇

参考文献：Resonances between high energy particles and ideal magnetohydrodynamic modes in tokamaks, Physics of Plasmas, 25, 102504 (2018);