2025年12月10日，Interesting Engineering以《世界最大超导等离子体约束装置破解聚变热损失难题》为题，报道了一项颠覆聚变物理认知的重大发现。同日，日本国家聚变科学研究所（NIFS）的研究团队在《通讯-物理学》发表题为《磁约束等离子体中局域与非局域湍流共存的直接观测》的论文，首次通过高分辨率实验证实，等离子体湍流兼具“跑球进攻”与“传球进攻”，而“介导湍流”正是导致热量非局域快速逃逸的核心原因。这一突破为人类掌控聚变能源、解决全球能源危机迈出了关键一步。
一、研究背景：困扰学界数十年的 “热损失” 谜题
聚变能被誉为人类未来的 “终极清洁能源”，其原理是模仿太阳核聚变，将氢同位素在超高温高压下融合释能，核心前提是将等离子体稳定约束在 1 亿摄氏度以上（太阳核心温度的 6 倍）。然而数十年来，传统扩散理论无法解释一个反常现象：本应沿温度梯度缓慢扩散的等离子体芯部热量，却能 “瞬间穿越” 磁场约束逃逸，导致温度难以维持，成为聚变反应堆商业化的 “卡脖子” 难题。
为通俗解释这一差异，研究团队引入美式橄榄球战术类比：传统理论中的 “局域输运” 如同 “跑球进攻”，而实验中未知的 “非局域输运” 则类似 “传球进攻”，但后者的物理机制长期缺乏直接证据。
二、LHD 装置简介：聚变研究的 “超级实验室”
此次突破性发现的诞生，离不开世界顶级聚变装置——大型螺旋装置（LHD）的支撑。LHD是位于日本岐阜县土岐市的超导仿星器装置，由NIFS于1998年正式投入运行，是仅次于德国Wendelstein7-X的世界第二大超导仿星器，也是全球最大采用Heliotron螺旋磁位形的等离子体约束装置。
该装置堪称“巨无霸”级科研设备：整体
外径13.6米
，
高度9.1米
，总重量达
1500吨
，核心参数包括
大半径3.9米
、
小半径0.6米
，等离子体体积约
30立方米
，
磁场强度可达3T
，
总加热功率高达36MW
。其最大特色在于优化的螺旋型磁场配置与超导磁体技术，搭配
中性束注入（NBI）、离子回旋射频（ICRF）和电子回旋共振加热（ECRH）
三种加热方式，以及可实现稳态运行的高精度诊断系统，使其能够创造并维持高温高密度等离子体环境，为前沿物理研究提供了理想平台。
自运行以来，LHD屡创佳绩：2005年实现3900秒的等离子体稳态维持，2020年成功将电子温度和离子温度均提升至1亿摄氏度，2023年完成全球首次磁约束聚变中的氢硼聚变实验，如今又成为破解热损失难题的关键工具，彰显了其在聚变研究领域的核心地位。
三、核心发现：湍流的 “双重角色” 与 “传球进攻” 机制
NIFS团队借助LHD的高精度诊断系统，通过施加短暂强烈的加热脉冲，以微秒级时空分辨率捕捉到了等离子体热输运的完整过程，终于揭开了非局域热损失的神秘面纱。
研究团队发现，等离子体湍流存在两种共存且截然不同的模式，共同主导热量输运：
非局域湍流（“传球进攻”）：这是此次发现的核心。加热后不到万分之一秒内，这种低频湍流会迅速增强，像美式橄榄球的“子弹传球”一样，瞬间连接等离子体芯部与远端区域，使热量绕过中间空间实现瞬时响应，这一模式可以理解为美式橄榄球中的“传球进攻”。实验证实，
加热脉冲越短，这种介导湍流越强，热量扩散速度越快，二者满足标度律v∝s⁻¹.⁰⁶，即偏离稳态越显著，非局域输运效应越突出。
局域湍流（“跑球进攻”）：即传统理论所描述的高频湍流，其
强度依赖温度梯度
，
以较慢速度扩散热量，塑造等离子体的整体温度分布
，如同运动员持球稳步推进。
实验清晰捕捉到二者的协同作用：加热后
非局域湍流
率先启动，实现热量的瞬时全局响应，随后
局域湍流
登场完成后续的局域输运。
这一发现首次通过直接观测证实了“介导湍流”的存在
，明确了其作为非局域热输运“元凶”的核心地位，填补了长期以来的理论空白。
四、发现意义：从理解机制到掌控聚变的关键一跃
这一突破不仅解答了学界数十年的困惑，更对聚变能开发乃至多个学科领域产生了深远影响，其意义体现在三个层面：
科学层面：颠覆传统认知，完善物理理论
此次发现是等离子体物理学的重大突破，首次通过实验证实了湍流的双重功能——
既作为“载体”直接输运热量，又作为“媒介”建立远程关联
，为长期假设的“介导路径”提供了
首个明确的实验证据
，验证了关键理论预测。这一成果将重写聚变热输运的“战术手册”，推动相关理论模型的革新，为后续研究提供了全新的物理框架。
应用层面：为可控聚变提供“精准调控”方案
对于聚变能源开发而言，这一发现意味着科学家终于找到了控制热损失的“靶点”。如果能够通过技术手段
抑制这种“介导湍流”
，将热量更长时间地约束在芯部，从而大幅提升聚变反应堆的能量输出效率。
跨学科影响：
值得注意的是，这种
由湍流介导
的
“远端区域瞬时响应”的物理机制并非聚变等离子体独有
，在洋流运动、大气环流、材料内部能量传递等自然系统中同样存在。因此，此次揭示的湍流介导机制具有广泛的跨学科启示，有望为气候预测、材料设计等领域提供新的研究视角与理论工具，展现了基础物理研究的深远价值。
参考链接：
- https://interestingengineering.com/energy/largest-fusion-device-solves-plasma-heat-loss
- https://www.eurekalert.org/news-releases/1108461
- https://www.nature.com/articles/s42005-025-02454-x
- https://www.aappsdpp.org/DPP2025/html/3contents/pdf/5609.pdf
- https://mp.weixin.qq.com/s/9n3nvKUD7sqSKtp6rULqCA