5月7日，由瑞士洛桑联邦理工学院（EPFL）领衔的国际科学团队首次通过实验证实了远离核心的次级X点可稳定形成强辐射区，从而在托卡马克排热技术上取得重要突破性成果。研究成果已发表在《Physical Review Letters》，标题为《X-Point Target Radiator Regime in Tokamak Divertor Plasmas》。
可控核聚变被视为解决全球能源问题的终极方案之一，但其核心挑战之一是如何有效排出反应堆运行中产生的超高热负荷。在磁约束聚变等离子体中，能量和粒子从约束区进入刮削层（SOL），并通过极向磁零点（X点）导向偏滤器靶板，形成极高的功率密度，远超现有材料耐受极限。为此，需通过 “脱靶” 过程降低偏滤器靶板表面的高热负荷，避免靶板过热，但传统脱靶方法面临辐射崩溃和约束性能下降的风险。
磁零点附近的强辐射区（X点辐射器，XPR）被视为潜在解决方案，但其物理机制（尤其是磁几何的作用）尚不明确，且强辐射区靠近核心等离子体可能影响能量约束和聚变氦灰排除。因此，探索如何通过磁位形设计，在远离核心的区域稳定形成强辐射区，成为关键研究方向。
二、研究目的
本项研究旨在验证一种新型X点辐射器——X点靶板辐射器（XPTR）的形成与特性。XPTR通过在偏滤器腿上设置远离约束等离子体的次级X点，实现强辐射区的远程稳定化，降低核心等离子体冷却风险，提升脱靶过程的可控性和稳定性。
三、研究方法
- 实验平台：瑞士TCV托卡马克装置（主半径0.88米，欧姆加热L模氘等离子体，等离子体电流300kA，环向磁场1.4T）。
- 磁位形：采用 “X点靶”（XPT）配置，通过次级X点将热通量导向特定靶板，形成磁分离结构。
- 测量手段：结合高分辨率光谱成像（MANTIS系统，Dα滤波图像）、测辐射热法（bolometry）、原位朗缪尔探针（RDPA阵列）和汤姆逊散射，获取二维辐射功率、电子温度、密度等参数分布。
- 参数扫描：通过调节核心线平均密度（格林沃尔德比例0.25-0.5），研究XPTR在不同密度下的演化特性。
四、实验结果
- XPTR的形成与定位：次级X点处形成环形辐射区，辐射强度较传统单零（SN）配置显著集中，电子温度从入口处>20eV骤降至辐射区10eV以下，靶板附近进一步降至1-4eV，证实强辐射导致的快速冷却。辐射区与电离/复合区域空间分离，区别于核心区XPR的集中式温度梯度分布。
- 脱靶性能提升：脱靶所需上游密度比SN配置降低30%，辐射前沿位置对密度变化的敏感性显著下降，稳定性增强。偏滤器靶板热通量减少80%，靶板电子温度维持在5eV以下，实现 “强脱靶” 状态，同时核心等离子体未出现过度冷却。
- 物理机制验证：磁几何（高通量扩展因子）和长连接长度XPTR形成的关键，其辐射特性与磁力线开闭状态无关，仅依赖磁位形与辐射过程的耦合。
- 简化模型表明，XPTR的辐射功率平衡由上游传导功率与杂质辐射主导，降低了脱靶对密度的依赖。
五、研究局限性
- 模型简化：当前理论模型为一维近似，未完全考虑三维磁流体效应、杂质输运及边界等离子体动力学。
- 参数范围：实验在欧姆加热低功率条件下进行，高功率电子回旋加热和不同杂质注入场景下的XPTR行为仍需验证。
- 反应堆外推：TCV装置规模较小，需在更大尺寸装置（如SPARC、ITER）中验证XPTR的可扩展性及长期稳定性。
六、未来展望
该研究首次实验证实了远离核心的次级X点可稳定形成强辐射体，突破了传统XPR对核心区域的依赖，为解决聚变能量排出难题提供了新路径。XPTR的低敏感性和高脱靶效率，显著降低了辐射崩溃风险，推动磁约束聚变向工程化迈出关键一步。
参考资料：
https://journals.aps.org/prl/abstract/10.1103/PhysRevLett.134.185102