普朗克等离子物理研究所：核聚变技术新进展

马克斯·普朗克等离子体物理研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics）是一专门研究核聚变技术及其装置的物理研究所。

该研究所自1980年至1990年进行了ASDEX实验。ASDEX，英文全称：Axially Symmetric Divertor Experiment，译为：轴对称偏滤器实验。偏滤器（Divertor）是环形聚变装置，例如托卡马克的组成部分。于1991年开始，该实验实施进行了升级，称为ASDEX Upgrade，译为：轴对称偏滤器实验升级版。

30年来，该升级设施一直为产生可持续能源的聚变发电厂铺平道路。在此期间，该托卡马克聚变工厂进行了多次扩建和改进，提供了许多见解，这些见解已被整合到其他聚变工厂的设计和运营中。例如，该升级团队为在英国的欧洲联合环（Joint European Torus，简称JET）测试工厂，和在法国的国际热核聚变实验堆计划（简称ITER）测试工厂的运行制定了方案，并为计划中的示范电厂进行了预测。计划在2022年中期进行的转换旨在为将来的工厂做准备。

聚变研究的目标是开发一个对气候与环境友好的发电厂。像太阳一样，其目的是从原子核的聚变中获取能量。为此所用的燃料是极稀薄的离子化氢气等离子体。为了点燃聚变，必须将等离子体封闭在几乎完全不接触的磁场中，并加热到1亿度以上。

为了调节热燃料与周围墙壁之间的相互作用，研究人员为Asdex升级版配备了偏滤器，称为：轴向对称偏滤器。通过附加的磁场，偏滤器场可以消除等离子体中的杂质，并改善其热绝缘性。

与其前身Asdex实验相比，Asdex升级版的等离子偏滤器和重要特性，尤其是密度和壁上的负载，更紧密地适应了将来的发电厂的条件。配备了强大的等离子加热器和用于观察等离子的精密测量设备，Asdex升级版可用于开发潜在发电厂的运行模式。

等离子体容器的钨壁

通过Asdex升级版，研究人员朝未来的聚变电厂迈出了重要的一步，他们用钨而不是碳覆盖等离子体容器的壁。碳对于实验工厂具有相当大优势。但是，它不适合发电厂运行，因为它会受到等离子体的强烈侵蚀，并且将过多的燃料与其自身结合在一起。钨的熔点高，在原理上非常适合用作壁材料。但是由于钨原子中即使是最小的杂质也会从壁上反复释放出来，因此等离子体很快冷却下来。经过大量的试验，Asdex升级团队解决了此问题。

成功的直接结果是：欧洲联合环JET在2011年的重建中获得了一个钨偏滤器国际热核聚变实验堆计划ITER决定放弃最初计划的带有碳偏滤器的实验，直接使用钨。

注入氢防止不稳定性

在带电等离子体颗粒与约束磁场的相互作用中，可能发生等离子体约束的各种干扰，包括等离子体边缘或边缘局部模式的不稳定性。边缘等离子体短暂失去其局限性，并将等离子体颗粒和能量向外抛出到管壁上。尽管如Asdex Upgrade的中型工厂可以应付这一问题，但大型工厂，如ITER的偏滤器可能会过载。

为解决此问题，为Asdex升级开发了防止不稳定的过程。等离子体容器中的16个小电磁线圈完全抑制了其磁场的不稳定性。第二种方法从最外面的等离子体边缘开始。如果可以通过磁场设置正确的等离子体形状，同时通过注入氢确保足够高的粒子密度，则边缘局部模式不会发展。

确保连续运行

托卡马克类型的聚变装置可确保连续运行，该聚变装置构造具有两个叠加磁场的磁笼：外部磁场产生的环形磁场和在等离子体中流动的电流场。等离子体电流通常由等离子体中的变压器线圈以脉冲方式感应。与更复杂的、模拟恒星内部持续不断的核聚变反应的仿星器不同，整个系统以脉冲运行，这是托卡马克的缺点。

因此，普朗克等离子物理研究所的科学家正在研究在等离子体中连续产生电流的各种方法。例如，通过注入在等离子体中驱动额外电流的高频波或粒子束。因此，他们基本成功地在没有变压器的情况下操作了该系统，首次在具有实用意义的金属内壁的机器上进行了操作。

接下来会发生什么

在Asdex Upgrade的30年运营中，偏滤器的形状已多次更改和优化。研究人员现正进一步测试新的偏滤器概念。等离子容器顶部的两个附加电磁线圈用于散开偏滤器场，以使来自等离子的功率分布在更大的区域上。线圈的组装计划于2022年中开始。这样的扩展还将在托卡马克进行调查，以解决未来示范电厂的问题。

项目负责人Arne Kallenbach表示：“从很多方面来说，Asdex升级都可以看作是托卡马克聚变电站的蓝图。” “连同最新开发的计算机代码，30多年来开发的样品为发电厂提供了可靠的信息。”