無限能源時代還遠嗎？可控核聚變效率大幅提升，ITER成試驗先鋒

未來世界是什麼樣的呢？面對21世紀的最大挑戰之一的能源困境，一種能夠造福全人類的新能源亟待發展。如今，越來越多的科學家普遍認同一個事實，即可控核聚變將是未來世界的首選。近日，美國科學家在可控熱核聚變領域再次取得的一定突破，讓這種取之不盡、用之不竭的未來能源離我們更進一步。

核聚變作為一種生產清潔能源的方式受到了科學家的極大熱捧，但目前仍存在一系列難以克服的困難，如高能粒子反應過程中能量的泄露問題，這導致整個體系的效率十分低下，難以實現更進一步發展。

根據美國能源部（DOE）發表在Physics of Plasmas雜誌上的一項研究顯示，美國科學家們已經找到了將高能粒子更好限制在反應器中合理位置的方法。這項新研究可以大大提升核聚變反應堆的效率。例如國際熱核聚變反應堆計劃（ITER）就打算採用這一研究成果，ITER計劃是法國目前正在建設的一個當今世界最大規模的開創性大科學工程設施。值得一提的是，該計劃吸引了包括中國、歐盟、日本、韓國、印度、俄羅斯和美國等世界主要核國家和世界科技強國共同參與，堪稱科學界的一次盛會。

中國政府宣布投入10億美元參與ITER計劃的運作，這是迄今中國投入最大的國際大科學工程。參與該計劃研究工作的包括中國科學院等離子體物理研究所、核工業西南物理研究院等中國研究機構。

以前，核聚變反應堆中可以產生一種波來推動高能粒子。反應裝置內部產生的這種波具有十分強的負面效果，可以將等離子體向反應裝置外源推動並使其聚合，進而導致等離子體的外泄，造成能量的大量損失。

而DOE對這種負效應波進行了可跟蹤和預測的計算機複雜模擬，為物理學家提供了一種全新途徑來防止能量的泄露，更好的約束高能粒子的運動範圍。研究人員表示，希望他們的工作能夠幫助更好的建立ITER。ITER預計將於2025年首次上線。

對此，美國普林斯頓等離子體物理實驗室的物理學家兼該論文的合著者Nikolai Gorelenkov表示：「ITER未來將應用到這項研究成果，我們的保守預測ITER需要的能量約為現有的托卡馬克裝置的100萬倍。這是一個前所未有的計算值，我們也必須找到使模擬更容易完成的方法。」

而托卡馬克是一種利用磁約束來實現受控核聚變的環性容器。它的名字Tokamak 來源於環形(toroidal)、真空室(kamera)、磁(magnit)、線圈(kotushka)。最初是由位於蘇聯莫斯科的庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人在20世紀50年代發明的。托卡馬克的中央是一個環形的真空室，外面纏繞著線圈。在通電的時候托卡馬克的內部會產生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。

毫無疑問，核聚變是一種潛力無窮的清潔能量，未來若投入商用勢必在整個能源領域掀起一場風暴，打亂整個能源行業規則，帶來的社會影響將是顛覆性的。

作者/朱張航宇

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

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