4月29日，马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP)宣称达成了一项新的世界纪录-ELISE实验测试平台为ITER的中性束加热系统实现了预定目标值。中性束加热（Neutral Beam Heating，简称NBH）是一种在核聚变实验中用于加热等离子体的技术。这种方法涉及将高能中性原子注入到聚变反应室中的等离子体中。这些中性原子与等离子体中的带电粒子碰撞，将能量传递给它们，从而提高等离子体的温度，帮助实现聚变条件。
马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP）正在开发一种用于中性粒子加热的离子源，该研究所希望将世界上最大的聚变实验ITER的等离子体加热到上亿度摄氏度。研究人员现在已经能够首次 在ELISE实验测试设施中产生ITER中性束注入器所需的离子电流密度。
核聚变是太阳和恒星产生能量的过程：较轻的原子核结合成更重的原子核，同时释放出巨大的能量。国际热核聚变实验堆（ITER）旨在证明这一原理也可以在地球上得到应用。其目标是实现500兆瓦的聚变功率，这是加热聚变等离子体所需能量的十倍。在法国南部正在建造的设施中，等离子体需要被加热到1.5亿摄氏度的高温。为了达到所需的加热功率，大约一半的能量将来自于所谓的中性束注入系统（NBI）。
这个系统通过将高速氢原子注入等离子体中，氢原子随后通过碰撞以热量的形式释放能量。为了实现这一过程，首先需要产生氢离子，然后在电场中进行极大加速，最后进行中和，以便它们能够进入ITER托卡马克装置的磁场笼中，与被限制在那里的等离子体相互作用。对于ITER项目而言，这样的离子源是基于负氢离子构建的。
在以前从未被建造过这种强大的中性束注入（NBI）加热系统——两个粒子束各自提供16.5兆瓦的能量。在马克斯·普朗克等离子体物理研究所（IPP），一个研究团队正在ELISE（大型离子源提取实验）实验测试平台上模拟ITER加热操作的不同场景。该项目得到了欧洲聚变联盟EUROfusion的财政支持。研究团队的目标是生成一个具有可靠高电流密度的氢离子束，并展示出准连续（准连续的-通常指的是某个过程或操作在实际操作中非常频繁地进行的）操作能力。ELISE的离子源是ITER项目中离子源尺寸的一半，所以它是一个按比例缩小的模型。
脉冲长度增加了十倍以上
IPP 的研究人员现在取得了一项新的世界纪录：2024 年 3 月 28 日，他们成功地从 ELISE 中提取了每平方米近 300 安培的负氢离子电流密度，持续 10 分钟（600 秒）。这使他们能够将这种电流密度的以前可能的脉冲长度增加十倍以上。对于持续 10 秒的较短脉冲，每平方米产生 330 安培，这也是一项世界纪录。这意味着ELISE已经实现了ITER的目标，尽管ITER可用的高频功率中最多只有75%可用于在实验测试设施中产生离子源等离子体。“这两个值都代表了ITER NBI系统发展的真正突破，”IPP科学家Dirk Wünderlich博士说。“我们现在正在实现使用氘氚燃料的第一个ITER运行阶段所需的目标值。”
ITER NBI系统的核心组成部分是离子源，其中产生负氢离子或氘离子，然后提取和加速（氘也称为重氢，因为除了质子之外，中子还结合在其原子核中）。这些离子源是巨大的，大约有一扇门那么大：在ITER上，这种离子束的横截面应该有一个两倍一米的矩形区域。在ELISE，它的大小只有一半（一个边长为一米的正方形）。
从这些离子源中提取与ITER相关的负离子束是一项极具挑战性的任务，因为离子束必须在整个表面上保持均匀，并在持续数百秒的脉冲期间暂时稳定。在此过程中不可避免地提取的电子数量必须尽可能少，因为这些电子会损坏NBI系统中的提取网格。目前之所以可能实现十分钟的脉冲长度，是因为研究人员最近在控制这些电子方面取得了重大进展。
ELISE计划创造更多世界纪录
IPP部门负责人乌塞尔·范茨教授（Prof Dr Ursel Fantz）解释说：“在ELISE的创纪录实验中，我们始终满足了这些要求。” 接下来的目标是开发出能够快速且可靠地达到ITER目标值的操作方案。研究人员还有另一个目标：继在氢上取得成功后，他们还希望在氘离子上实现这些目标——这是ITER未来运行阶段的必要条件。为此，现在所达到的离子电流密度应能维持高达1小时（60分钟）的时间。乌塞尔·范茨表示：“ELISE在技术上需要能够实现这些目标。” 因此，在未来几年里，IPP实验测试设施预计将会进一步刷新世界纪录。
原文链接：https://www.ipp.mpg.de/5421304/elise_rekord_2024