近日美國DIII-D國家聚變設(shè)施達成了20萬次實驗性“點火”測試里程碑。這不僅是一個數(shù)字上的成就，更標志著核聚變研究的兩大關(guān)鍵突破，為實現(xiàn)清潔、無限的能源帶來了實質(zhì)性的進展。值得一提的是，中國科學家在這次實驗中也發(fā)揮了至關(guān)重要的作用，讓我們來看看這究竟是怎么回事。

• 突破一：打破等離子體密度“極限墻”

核聚變的挑戰(zhàn)之一是如何在高密度條件下，保持等離子體的穩(wěn)定。DIII-D團隊突破了Greenwald密度限制，這一理論上限曾被視為磁約束聚變裝置的密度瓶頸：一旦超過這個密度，等離子體就容易失穩(wěn)，甚至出現(xiàn)突然中斷。

DIII-D團隊通過一種“鄰近控制”（Proximity Control）算法，能夠在等離子體達到該密度上限時穩(wěn)定控制它，讓DIII-D實現(xiàn)了超過Greenwald限制20%的密度，同時保持了高質(zhì)量的等離子體約束，即使在高密度下也避免了不穩(wěn)定現(xiàn)象。這意味著未來的聚變反應(yīng)堆可以更緊湊、更高效，為聚變發(fā)電的經(jīng)濟可行性鋪平了道路。

• 突破二：創(chuàng)建全球最強大的“超H?！本圩兊入x子體

DIII-D的第二項成就是在等離子體邊緣創(chuàng)建了高壓“超級H?！保⊿uper H-mode），這是一個等離子體的極端狀態(tài)，能夠承受更高的密度和溫度。通常情況下，等離子體的邊緣會產(chǎn)生湍流和不穩(wěn)定性，限制其密度和溫度。而“超級H?！崩眯碌拇艌雠渲?，使得邊緣可以承受更大的壓力，從而形成更穩(wěn)定的等離子體狀態(tài)。

通過這個超級H模配置，DIII-D實現(xiàn)了每立方米10^20個粒子的超高等離子體密度。這種極端條件類似于恒星內(nèi)部的環(huán)境，使得等離子體的穩(wěn)定性和反應(yīng)效率得到了顯著提高，不僅為實驗室提供了理想的高壓條件，也為未來商用聚變電廠提供了關(guān)鍵參考。

• 前景展望：聚變電廠不再遙不可及

這兩項突破為未來的聚變反應(yīng)堆設(shè)計提供了關(guān)鍵的科學依據(jù)和技術(shù)支持。傳統(tǒng)上，維持高密度和高溫等離子體的穩(wěn)定性一直是聚變發(fā)電的主要障礙，而DIII-D的進展展示了通過優(yōu)化技術(shù)和算法，有可能在不增加設(shè)施規(guī)模的情況下獲得更高的能量輸出。這意味著未來的核聚變電廠，或許可以變得更小、更安全、更經(jīng)濟實用。

此外，DIII-D已經(jīng)吸引了如NVIDIA等公司的合作，他們利用DIII-D的數(shù)據(jù)開發(fā)“數(shù)字孿生”技術(shù)，為聚變反應(yīng)堆的實時控制和模擬提供計算支持。通過這些創(chuàng)新，DIII-D不僅為聚變研究帶來了科學進展，還推動了相關(guān)技術(shù)的商業(yè)化進程。

• 國際合作：中國科學家的關(guān)鍵貢獻

這兩項突破中，中國科學家都發(fā)揮了關(guān)鍵作用。來自中國科學院等離子體物理研究所的科學家們參與了實驗設(shè)計，負責等離子體邊界穩(wěn)定性和湍流抑制的建模分析，協(xié)助DIII-D實現(xiàn)了更高的密度梯度和穩(wěn)定的邊緣條件，從而實現(xiàn)了突破性高密度、高約束的托卡馬克等離子體狀態(tài)。

DIII-D的研究不再只是科學實驗室中的“奇跡”，而是真正走向未來能源應(yīng)用的關(guān)鍵一步，隨著全球核聚變試驗的持續(xù)進步，商業(yè)化聚變電廠的誕生或許離我們已不再遙遠。

這兩項突破性的的成果今年早些時候的4月24日已發(fā)表在《自然》雜志上。

參考文獻：

Ding, S., Garofalo, A.M., Wang, H.Q. et al. A high-density and high-confinement tokamak plasma regime for fusion energy. Nature 629, 555–560 (2024). https://doi.org/10.1038/s41586-024-07313-3