2024年5月6日，美國能源部的普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）宣布了一個重大消息-科學家們在一種內襯是鎢材料的核聚變裝置（WEST）中實現了新的突破。鎢因其特性，被視為未來商用核聚變反應堆的理想候選材料，這一發現為核聚變成為可持續能源提供了新的希望。
在實驗中，研究人員向裝置注入了1.15千焦的能量，成功維持了一個溫度高達五千萬攝氏度的熱聚變等離子體長達六分鐘的運行，這一持續時間比之前的記錄提升了15%，同時等離子體的密度也增加了一倍。
WEST實驗裝置由法國原子能委員會（CEA）運營。PPPL與CEA在WEST項目上有著緊密的合作關系。該項目是國際原子能機構（IAEA）支持的CICLOP計劃的一部分，該計劃旨在應對和解決長期聚變實驗中遇到的挑戰。
“我們迫切需要開發一種新的、穩定且持續的能源解決方案，”CEA的科學家、CICLOP項目的主席XavierLitaudon強調。他提到，盡管實驗中帶來了一定的挑戰，但PPPL在WEST裝置上取得的成果令人鼓舞，顯示出了實現穩定聚變狀態的可能性。
法國原子能委員會的RemiDumont，也是本次實驗的科學協調員，對這一成就給予了高度評價，稱其為“非常壯觀的成果”。
PPPL團隊采用了一種新的測量方法來分析等離子體輻射的多個特性，其中包括一個由DECTRIS公司生產的定制X射線探測器。這一技術的應用對于*測量和控制等離子體的特性至關重要。
研究人員將在未來的幾周內發表相關論文，詳細介紹他們的研究成果，這將為核聚變科學領域提供寶貴的數據和見解。
普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的科研團隊正在開發新型X射線探測工具，旨在提升全球托卡馬克裝置和仿星器的性能。LuisDelgado-Aparicio，PPPL的先進項目負責人及X射線探測器項目的首席科學家指出，這些工具的開發是實驗室在等離子體診斷技術上*地位的一個體現，尤其是在*測量高溫聚變等離子體特性方面。
DECTRIS公司的銷售負責人NicolasPilet贊揚了聚變等離子體研究在采用混合光子計數技術方面的先驅作用，這項技術對于實時監測等離子體行為非常關鍵。他對于PPPL在WEST裝置上取得的成果表示祝賀，并強調了這一科學領域的發展對人類未來的重要意義。Pilet表示，DECTRIS公司對于能夠支持這一科學發展感到自豪，并對與PPPL的合作充滿期待。
科學家們正面臨著在聚變反應中有效提取熱量的挑戰——必須在比太陽核心更高的溫度下持續足夠長的時間，以確保其經濟可行性。PPPL的*新研究成果，特別是在高溫等離子體控制技術上的進步，為實現這一目標奠定了堅實的基礎。
先前的托雷·蘇普拉（ToreSupra）裝置雖然實現了較長的聚變反應時間，但其內部使用的石墨材料并不適合大型聚變反應堆。石墨雖有助于延長運行時間，卻容易在壁內吸附燃料，這對于需要高效回收氚并重新引入等離子體的大型反應堆來說是非常不利的。相比之下，鎢的優勢在于其吸附燃料的量要少得多，但鎢的微粒如果進入等離子體，其輻射可能會迅速降低等離子體的溫度。
LuisDelgado-Aparicio指出，與碳相比，鎢壁環境面臨的挑戰要大得多。他形象地比喻說：“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�！边@表明，盡管鎢作為反應堆內壁材料具有明顯優勢，但其應用也伴隨著技術上的難關，需要科研人員進行深入研究和創新解決方案
創新的診斷技術記錄了這次放電過程
在*近一次的實驗中，普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的科學家們采用了一種創新的測量技術，這項技術涉及到對DECTRIS公司生產的X射線探測器進行定制改裝。改裝工作由Delgado-Aparicio及其團隊成員，包括TullioBarbui、OulfaChellai和NovimirPablant共同完成。這個設備-ME-SXR能夠測量等離子體發出的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鍵特性。
與通常配置為統一能量水平的DECTRIS標準設備不同，PPPL團隊開發的新技術能夠對每個像素進行獨立的校準。這種方法相較于WEST裝置中使用的現有技術具有明顯優勢，因為它不易受到射頻波的干擾，這些射頻波在等離子體加熱過程中是常見的。
Barbui強調，在長達六分鐘的放電過程中，團隊能夠穩定地測量到中心電子溫度，該溫度維持在大約4千伏，這一結果是實驗中一個顯著的成就。這表明PPPL在等離子體診斷技術上取得了重要進展，為核聚變研究提供了新的*測量手段。
尋找合適的光子能量范圍
普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的科學家們開發了一項新的診斷技術，用于探測等離子體中產生的Bremsstrahlung（軔致輻射），這種輻射發生于電子改變方向并減速時。由于等離子體和用作壁材的鎢都會發出軔致輻射，因此區分并準確測量來自等離子體的輻射成為了關鍵點。
LuisDelgado-Aparicio解釋說，他們發現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未被充分探索的領域。
TullioBarbui指出，與通常只做兩次測量相比，這次實驗中他們進行了一系列的測量，這在技術上就是一個突破。這種連續的測量方法提供了更豐富的數據，有助于更深入地理解等離子體的特性。這項技術的應用不僅增強了對等離子體核心區域電子溫度的測量精度，而且還展示了PPPL在等離子體診斷領域的專業能力和創新精神，為核聚變能源的研究和應用提供了重要的技術支持。
PPPL的LuisDelgado-Aparicio特別指出，他們開發的探測器具有一種特殊的校準技術，使得能夠對從11到18千電子伏特（keV）的每個能量級進行*測量，同時對整個截面進行采樣，實現每秒大約10次的測量頻率。該技術的關鍵是在將*低11keV能量的強度作為基準水平的基礎上，對其他七個能量級的強度進行比較分析，從而在每個視點同步產生七個溫度讀數，顯著提升了測量的準確性。
Delgado-Aparicio表示，這種創新的測量功能已經準備好在全球范圍內的眾多設備上推廣。通過八個不同強度的測量，研究團隊得到了核心等離子體溫度的*佳擬合結果，確定溫度維持在4到4.5千伏之間，即大約五千萬度，并且這種狀態能夠穩定持續多達六分鐘。
這些*的診斷讀數不僅可以用于計算等離子體中電子的溫度，還可以用于測量等離子體的電荷量以及等離子體中雜質的密度，尤其是那些來自托卡馬克裝置壁上的鎢元素的雜質。這些成果對于優化核聚變反應堆的設計和操作具有重要的指導意義。
PPPL開發的這一獨特系統是*能夠區分能量的設備，RemiDumont對此評價道：“這是非常壯觀的。”雖然這些數據可以通過其他幾種診斷技術間接獲得，并通過模型分析得到支持，但Dumont認為這種新方法更為“直接”。
TullioBarbui指出，未來實驗中，這種診斷設備有望收集到更多信息。他解釋說：“這臺探測器具有獨特的靈活性，能夠根據實驗需求，用多個等級的能量來測量同一個等離子體。目前，我們選擇了八種進行測量，但實際上我們可以選擇十種甚至十五種�！�
CICLOP項目的主席XavierLitaudon對于能夠采用這樣的先進診斷工具表示滿意。他說：“實際上，這臺能量分辨相機將為我們的分析工作開辟新的路徑�！痹趲в墟u壁的實驗設施中進行操作*挑戰性，但借助這些新的測量技術，研究人員將能夠直接測量等離子體內的鎢含量，并深入理解鎢從反應器壁到等離子體核心的傳輸機制。
Litaudon認為，這些測量結果將有助于將等離子體核心中的鎢含量降至*低，以確保實現*佳的聚變操作條件�！暗靡嬗谶@些先進的診斷工具，我們不僅可以深入理解這一問題，還能直擊測量和模擬背后的物理本質�！�
此外，CEA的Dumont、PierreManas和TheoFonghetti所進行的驗算也驗證了相關模擬結果與PPPL團隊所報告的測量數據之間存在高度一致性。
Dumont還強調，ME-SXR的開發建立在PPPL在WEST項目上所進行的重要診斷研究基礎之上�！癕E-SXR相機只是PPPL向CEA/WEST提供的更廣泛診斷技術貢獻中的一部分，”Dumont提到，他還提及了硬X射線相機和X射線成像晶體光譜儀�！斑@種緊密合作對我們的研究幫助巨大。有了這些診斷工具的結合，我們將能夠在等離子體中進行極為*的測量，并實現實時控制。”
這項新技術的發展和研究項目是由美國能源部（DOE）資助的，Delgado-Aparicio分別在2015年和2018年獲得了該部門的早期職業獎和診斷開發資助，資助編號為DE-AC02-09CH11466。
關于法國原子能委員會（CEA）
法國原子能委員會（CEA）是一個多功能機構，它為公共決策提供科學依據，并為社會關鍵領域，如能源、數字化轉型、健康、國防和全球安全等，提供具體的科學和技術解決方案。CEA在基礎研究領域也有所涉獵，包括生物技術與健康、材料科學、宇宙物理學、物理學和納米科學等。
CEA下屬的磁聚變研究所（IRFM）是歐洲磁聚變研究的關鍵力量，位于卡達拉舍。IRFM集結了200多名專家，積極參與國際熱核聚變實驗反應堆（ITER）項目，操作JT-60SA裝置，并在EUROfusion聯盟的支持下推動磁約束聚變研究的發展。IRFM的戰略活動廣泛，目標是為下一代聚變裝置的運行做好準備，并為全球聚變研究社區貢獻力量，共同推進聚變電廠的開發。通過這些努力，IRFM旨在為實現下一代清潔能源的目標做出重要貢獻。
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