馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics）是一專門研究核聚變技術(shù)及其裝置的物理研究所。

    該研究所自1980年至1990年進(jìn)行了ASDEX實(shí)驗(yàn)。ASDEX，英文全稱：Axially Symmetric Divertor Experiment，譯為：軸對稱偏濾器實(shí)驗(yàn)。偏濾器（Divertor）是環(huán)形聚變裝置，例如托卡馬克的組成部分。于1991年開始，該實(shí)驗(yàn)實(shí)施進(jìn)行了升級，稱為ASDEX Upgrade，譯為：軸對稱偏濾器實(shí)驗(yàn)升級版。

    30年來，該升級設(shè)施一直為產(chǎn)生可持續(xù)能源的聚變發(fā)電廠鋪平道路。在此期間，該托卡馬克聚變工廠進(jìn)行了多次擴(kuò)建和改進(jìn)，提供了許多見解，這些見解已被整合到其他聚變工廠的設(shè)計和運(yùn)營中。例如，該升級團(tuán)隊為在英國的歐洲聯(lián)合環(huán)（Joint European Torus，簡稱JET）測試工廠，和在法國的國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計劃（簡稱ITER）測試工廠的運(yùn)行制定了方案，并為計劃中的示范電廠進(jìn)行了預(yù)測。計劃在2022年中期進(jìn)行的轉(zhuǎn)換旨在為將來的工廠做準(zhǔn)備。

    聚變研究的目標(biāo)是開發(fā)一個對氣候與環(huán)境友好的發(fā)電廠。像太陽一樣，其目的是從原子核的聚變中獲取能量。為此所用的燃料是極稀薄的離子化氫氣等離子體。為了點(diǎn)燃聚變，必須將等離子體封閉在幾乎完全不接觸的磁場中，并加熱到1億度以上。

    為了調(diào)節(jié)熱燃料與周圍墻壁之間的相互作用，研究人員為Asdex升級版配備了偏濾器，稱為：軸向?qū)ΨQ偏濾器。通過附加的磁場，偏濾器場可以消除等離子體中的雜質(zhì)，并改善其熱絕緣性。

    與其前身Asdex實(shí)驗(yàn)相比，Asdex升級版的等離子偏濾器和重要特性，尤其是密度和壁上的負(fù)載，更緊密地適應(yīng)了將來的發(fā)電廠的條件。配備了強(qiáng)大的等離子加熱器和用于觀察等離子的精密測量設(shè)備，Asdex升級版可用于開發(fā)潛在發(fā)電廠的運(yùn)行模式。

等離子體容器的鎢壁

    通過Asdex升級版，研究人員朝未來的聚變電廠邁出了重要的一步，他們用鎢而不是碳覆蓋等離子體容器的壁。碳對于實(shí)驗(yàn)工廠具有相當(dāng)大優(yōu)勢。但是，它不適合發(fā)電廠運(yùn)行，因?yàn)樗鼤艿降入x子體的強(qiáng)烈侵蝕，并且將過多的燃料與其自身結(jié)合在一起。鎢的熔點(diǎn)高，在原理上非常適合用作壁材料。但是由于鎢原子中即使是最小的雜質(zhì)也會從壁上反復(fù)釋放出來，因此等離子體很快冷卻下來。經(jīng)過大量的試驗(yàn)，Asdex升級團(tuán)隊解決了此問題。

    成功的直接結(jié)果是：歐洲聯(lián)合環(huán)JET在2011年的重建中獲得了一個鎢偏濾器國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆計劃ITER決定放棄最初計劃的帶有碳偏濾器的實(shí)驗(yàn)，直接使用鎢。

注入氫防止不穩(wěn)定性

    在帶電等離子體顆粒與約束磁場的相互作用中，可能發(fā)生等離子體約束的各種干擾，包括等離子體邊緣或邊緣局部模式的不穩(wěn)定性。邊緣等離子體短暫失去其局限性，并將等離子體顆粒和能量向外拋出到管壁上。盡管如Asdex Upgrade的中型工廠可以應(yīng)付這一問題，但大型工廠，如ITER的偏濾器可能會過載。

    為解決此問題，為Asdex升級開發(fā)了防止不穩(wěn)定的過程。等離子體容器中的16個小電磁線圈完全抑制了其磁場的不穩(wěn)定性。第二種方法從最外面的等離子體邊緣開始。如果可以通過磁場設(shè)置正確的等離子體形狀，同時通過注入氫確保足夠高的粒子密度，則邊緣局部模式不會發(fā)展。

確保連續(xù)運(yùn)行

    托卡馬克類型的聚變裝置可確保連續(xù)運(yùn)行，該聚變裝置構(gòu)造具有兩個疊加磁場的磁籠：外部磁場產(chǎn)生的環(huán)形磁場和在等離子體中流動的電流場。等離子體電流通常由等離子體中的變壓器線圈以脈沖方式感應(yīng)。與更復(fù)雜的、模擬恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)的仿星器不同，整個系統(tǒng)以脈沖運(yùn)行，這是托卡馬克的缺點(diǎn)。

    因此，普朗克等離子物理研究所的科學(xué)家正在研究在等離子體中連續(xù)產(chǎn)生電流的各種方法。例如，通過注入在等離子體中驅(qū)動額外電流的高頻波或粒子束。因此，他們基本成功地在沒有變壓器的情況下操作了該系統(tǒng)，首次在具有實(shí)用意義的金屬內(nèi)壁的機(jī)器上進(jìn)行了操作。

接下來會發(fā)生什么

    在Asdex Upgrade的30年運(yùn)營中，偏濾器的形狀已多次更改和優(yōu)化。研究人員現(xiàn)正進(jìn)一步測試新的偏濾器概念。等離子容器頂部的兩個附加電磁線圈用于散開偏濾器場，以使來自等離子的功率分布在更大的區(qū)域上。線圈的組裝計劃于2022年中開始。這樣的擴(kuò)展還將在托卡馬克進(jìn)行調(diào)查，以解決未來示范電廠的問題。

    項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Arne Kallenbach表示：“從很多方面來說，Asdex升級都可以看作是托卡馬克聚變電站的藍(lán)圖?！?“連同最新開發(fā)的計算機(jī)代碼，30多年來開發(fā)的樣品為發(fā)電廠提供了可靠的信息?！?/p>