近日美国DIII-D国家聚变设施达成了20万次实验性“点火”测试里程碑。这不仅是一个数字上的成就，更标志着核聚变研究的两大关键突破，为实现清洁、无限的能源带来了实质性的进展。值得一提的是，中国科学家在这次实验中也发挥了至关重要的作用，让我们来看看这究竟是怎么回事。
突破一：打破等离子体密度“极限墙”
核聚变的挑战之一是如何在高密度条件下，保持等离子体的稳定。DIII-D团队突破了Greenwald密度限制，这一理论上限曾被视为磁约束聚变装置的密度瓶颈：一旦超过这个密度，等离子体就容易失稳，甚至出现突然中断。
DIII-D团队通过一种“邻近控制”（Proximity Control）算法，能够在等离子体达到该密度上限时稳定控制它，让DIII-D实现了超过Greenwald限制20%的密度，同时保持了高质量的等离子体约束，即使在高密度下也避免了不稳定现象。这意味着未来的聚变反应堆可以更紧凑、更高效，为聚变发电的经济可行性铺平了道路。
突破二：创建全球最强大的“超H模”聚变等离子体
DIII-D的第二项成就是在等离子体边缘创建了高压“超级H模”（Super H-mode），这是一个等离子体的极端状态，能够承受更高的密度和温度。通常情况下，等离子体的边缘会产生湍流和不稳定性，限制其密度和温度。而“超级H模”利用新的磁场配置，使得边缘可以承受更大的压力，从而形成更稳定的等离子体状态。
通过这个超级H模配置，DIII-D实现了每立方米10^20个粒子的超高等离子体密度。这种极端条件类似于恒星内部的环境，使得等离子体的稳定性和反应效率得到了显著提高，不仅为实验室提供了理想的高压条件，也为未来商用聚变电厂提供了关键参考。
前景展望：聚变电厂不再遥不可及
这两项突破为未来的聚变反应堆设计提供了关键的科学依据和技术支持。传统上，维持高密度和高温等离子体的稳定性一直是聚变发电的主要障碍，而DIII-D的进展展示了通过优化技术和算法，有可能在不增加设施规模的情况下获得更高的能量输出。这意味着未来的核聚变电厂，或许可以变得更小、更安全、更经济实用。
此外，DIII-D已经吸引了如NVIDIA等公司的合作，他们利用DIII-D的数据开发“数字孪生”技术，为聚变反应堆的实时控制和模拟提供计算支持。通过这些创新，DIII-D不仅为聚变研究带来了科学进展，还推动了相关技术的商业化进程。
国际合作：中国科学家的关键贡献
这两项突破中，中国科学家都发挥了关键作用。来自中国科学院等离子体物理研究所的科学家们参与了实验设计，负责等离子体边界稳定性和湍流抑制的建模分析，协助DIII-D实现了更高的密度梯度和稳定的边缘条件，从而实现了突破性高密度、高约束的托卡马克等离子体状态。
DIII-D的研究不再只是科学实验室中的“奇迹”，而是真正走向未来能源应用的关键一步，随着全球核聚变试验的持续进步，商业化聚变电厂的诞生或许离我们已不再遥远。
这两项突破性的的成果今年早些时候的4月24日已发表在《自然》杂志上。
参考文献：
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
