2024年5月6日，美国能源部的普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）宣布了一个重大消息-科学家们在一种内衬是钨材料的核聚变装置（WEST）中实现了新的突破。钨因其特性，被视为未来商用核聚变反应堆的理想候选材料，这一发现为核聚变成为可持续能源提供了新的希望。
在实验中，研究人员向装置注入了1.15千焦的能量，成功维持了一个温度高达五千万摄氏度的热聚变等离子体长达六分钟的运行，这一持续时间比之前的记录提升了15%，同时等离子体的密度也增加了一倍。
WEST实验装置由法国原子能委员会（CEA）运营。PPPL与CEA在WEST项目上有着紧密的合作关系。该项目是国际原子能机构（IAEA）支持的CICLOP计划的一部分，该计划旨在应对和解决长期聚变实验中遇到的挑战。
“我们迫切需要开发一种新的、稳定且持续的能源解决方案，”CEA的科学家、CICLOP项目的主席Xavier Litaudon强调。他提到，尽管实验中带来了一定的挑战，但PPPL在WEST装置上取得的成果令人鼓舞，显示出了实现稳定聚变状态的可能性。
法国原子能委员会的Remi Dumont，也是本次实验的科学协调员，对这一成就给予了高度评价，称其为“非常壮观的成果”。
PPPL团队采用了一种新的测量方法来分析等离子体辐射的多个特性，其中包括一个由DECTRIS公司生产的定制X射线探测器。这一技术的应用对于精确测量和控制等离子体的特性至关重要。
研究人员将在未来的几周内发表相关论文，详细介绍他们的研究成果，这将为核聚变科学领域提供宝贵的数据和见解。
普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科研团队正在开发新型X射线探测工具，旨在提升全球托卡马克装置和仿星器的性能。Luis Delgado-Aparicio，PPPL的先进项目负责人及X射线探测器项目的首席科学家指出，这些工具的开发是实验室在等离子体诊断技术上领先地位的一个体现，尤其是在精确测量高温聚变等离子体特性方面。
DECTRIS公司的销售负责人Nicolas Pilet赞扬了聚变等离子体研究在采用混合光子计数技术方面的先驱作用，这项技术对于实时监测等离子体行为非常关键。他对于PPPL在WEST装置上取得的成果表示祝贺，并强调了这一科学领域的发展对人类未来的重要意义。Pilet表示，DECTRIS公司对于能够支持这一科学发展感到自豪，并对与PPPL的合作充满期待。
科学家们正面临着在聚变反应中有效提取热量的挑战——必须在比太阳核心更高的温度下持续足够长的时间，以确保其经济可行性。PPPL的最新研究成果，特别是在高温等离子体控制技术上的进步，为实现这一目标奠定了坚实的基础。
先前的托雷·苏普拉（Tore Supra）装置虽然实现了较长的聚变反应时间，但其内部使用的石墨材料并不适合大型聚变反应堆。石墨虽有助于延长运行时间，却容易在壁内吸附燃料，这对于需要高效回收氚并重新引入等离子体的大型反应堆来说是非常不利的。相比之下，钨的优势在于其吸附燃料的量要少得多，但钨的微粒如果进入等离子体，其辐射可能会迅速降低等离子体的温度。
Luis Delgado-Aparicio指出，与碳相比，钨壁环境面临的挑战要大得多。他形象地比喻说：“这就像是在家抚摸你的小猫，与试图驯服一头最凶猛的狮子之间的差别。” 这表明，尽管钨作为反应堆内壁材料具有明显优势，但其应用也伴随着技术上的难关，需要科研人员进行深入研究和创新解决方案
创新的诊断技术记录了这次放电过程
在最近一次的实验中，普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们采用了一种创新的测量技术，这项技术涉及到对DECTRIS公司生产的X射线探测器进行定制改装。改装工作由Delgado-Aparicio及其团队成员，包括Tullio Barbui、Oulfa Chellai和Novimir Pablant共同完成。这个设备-ME-SXR能够测量等离子体发出的X射线辐射，从而让研究人员能够推断出等离子体的核心电子温度等关键特性。
与通常配置为统一能量水平的DECTRIS标准设备不同，PPPL团队开发的新技术能够对每个像素进行独立的校准。这种方法相较于WEST装置中使用的现有技术具有明显优势，因为它不易受到射频波的干扰，这些射频波在等离子体加热过程中是常见的。
Barbui强调，在长达六分钟的放电过程中，团队能够稳定地测量到中心电子温度，该温度维持在大约4千伏，这一结果是实验中一个显著的成就。这表明PPPL在等离子体诊断技术上取得了重要进展，为核聚变研究提供了新的精确测量手段。
寻找合适的光子能量范围
普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的科学家们开发了一项新的诊断技术，用于探测等离子体中产生的Bremsstrahlung（轫致辐射），这种辐射发生于电子改变方向并减速时。由于等离子体和用作壁材的钨都会发出轫致辐射，因此区分并准确测量来自等离子体的辐射成为了关键点。
Luis Delgado-Aparicio解释说，他们发现11至18千电子伏特（keV）的光子能量范围是研究等离子体核心辐射的一个未被充分探索的领域。
Tullio Barbui指出，与通常只做两次测量相比，这次实验中他们进行了一系列的测量，这在技术上就是一个突破。这种连续的测量方法提供了更丰富的数据，有助于更深入地理解等离子体的特性。这项技术的应用不仅增强了对等离子体核心区域电子温度的测量精度，而且还展示了PPPL在等离子体诊断领域的专业能力和创新精神，为核聚变能源的研究和应用提供了重要的技术支持。
PPPL的Luis Delgado-Aparicio特别指出，他们开发的探测器具有一种特殊的校准技术，使得能够对从11到18千电子伏特（keV）的每个能量级进行精确测量，同时对整个截面进行采样，实现每秒大约10次的测量频率。该技术的关键是在将最低11 keV能量的强度作为基准水平的基础上，对其他七个能量级的强度进行比较分析，从而在每个视点同步产生七个温度读数，显著提升了测量的准确性。
Delgado-Aparicio表示，这种创新的测量功能已经准备好在全球范围内的众多设备上推广。通过八个不同强度的测量，研究团队得到了核心等离子体温度的最佳拟合结果，确定温度维持在4到4.5千伏之间，即大约五千万度，并且这种状态能够稳定持续多达六分钟。
这些精确的诊断读数不仅可以用于计算等离子体中电子的温度，还可以用于测量等离子体的电荷量以及等离子体中杂质的密度，尤其是那些来自托卡马克装置壁上的钨元素的杂质。这些成果对于优化核聚变反应堆的设计和操作具有重要的指导意义。
PPPL开发的这一独特系统是首个能够区分能量的设备，Remi Dumont对此评价道：“这是非常壮观的。”虽然这些数据可以通过其他几种诊断技术间接获得，并通过模型分析得到支持，但Dumont认为这种新方法更为“直接”。
Tullio Barbui指出，未来实验中，这种诊断设备有望收集到更多信息。他解释说：“这台探测器具有独特的灵活性，能够根据实验需求，用多个等级的能量来测量同一个等离子体。目前，我们选择了八种进行测量，但实际上我们可以选择十种甚至十五种。”
CICLOP项目的主席Xavier Litaudon对于能够采用这样的先进诊断工具表示满意。他说：“实际上，这台能量分辨相机将为我们的分析工作开辟新的路径。”在带有钨壁的实验设施中进行操作极具挑战性，但借助这些新的测量技术，研究人员将能够直接测量等离子体内的钨含量，并深入理解钨从反应器壁到等离子体核心的传输机制。
Litaudon认为，这些测量结果将有助于将等离子体核心中的钨含量降至最低，以确保实现最佳的聚变操作条件。“得益于这些先进的诊断工具，我们不仅可以深入理解这一问题，还能直击测量和模拟背后的物理本质。”
此外，CEA的Dumont、Pierre Manas和Theo Fonghetti所进行的验算也验证了相关模拟结果与PPPL团队所报告的测量数据之间存在高度一致性。
Dumont还强调，ME-SXR的开发建立在PPPL在WEST项目上所进行的重要诊断研究基础之上。“ME-SXR相机只是PPPL向CEA/WEST提供的更广泛诊断技术贡献中的一部分，”Dumont提到，他还提及了硬X射线相机和X射线成像晶体光谱仪。“这种紧密合作对我们的研究帮助巨大。有了这些诊断工具的结合，我们将能够在等离子体中进行极为精确的测量，并实现实时控制。”
这项新技术的发展和研究项目是由美国能源部（DOE）资助的，Delgado-Aparicio分别在2015年和2018年获得了该部门的早期职业奖和诊断开发资助，资助编号为DE-AC02-09CH11466。
关于法国原子能委员会（CEA）
法国原子能委员会（CEA）是一个多功能机构，它为公共决策提供科学依据，并为社会关键领域，如能源、数字化转型、健康、国防和全球安全等，提供具体的科学和技术解决方案。CEA在基础研究领域也有所涉猎，包括生物技术与健康、材料科学、宇宙物理学、物理学和纳米科学等。
CEA下属的磁聚变研究所（IRFM）是欧洲磁聚变研究的关键力量，位于卡达拉舍。IRFM集结了200多名专家，积极参与国际热核聚变实验反应堆（ITER）项目，操作JT-60SA装置，并在EUROfusion联盟的支持下推动磁约束聚变研究的发展。IRFM的战略活动广泛，目标是为下一代聚变装置的运行做好准备，并为全球聚变研究社区贡献力量，共同推进聚变电厂的开发。通过这些努力，IRFM旨在为实现下一代清洁能源的目标做出重要贡献。
关于DECTRIS
DECTRIS有限公司专注于设计和制造尖端的X射线和电子探测器，这些设备在全球科学界促成了多项重大突破。与传统的摄影相机捕捉可见光不同，DECTRIS的探测器能够精确计数单个X射线光子和电子。作为全球同步辐射光源市场的领导者，DECTRIS的探测器同样在实验室研究中提供了重要的助力，例如它在确定冠状病毒结构的关键研究中发挥了作用。
DECTRIS的产品广泛应用于能源、环境、工业研究等多个领域，并为医疗应用提供了创新解决方案。公司通过设在瑞士、日本和美国的办事处，为全球的研究人员提供支持与服务。关于普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）
普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）是美国能源部下属的一个国家实验室，由普林斯顿大学管理。
PPPL媒体联系人：Rachel Kremen，电子邮件: rkremen@pppl.gov，电话: +1 (609) 552-1135