聚变发电是人类有希望获得的终极能源，然而美国的一项核聚变研究，或许已经完成了其它国家无法想象的壮举!

在2024年4月24日，《自然》杂志正式发表了一篇关于核聚变的研究，其中提到美国的“DIII-D”设施在20万次实验性“点火”的测试中取得了两个突破性的成果!

DIII-D是一种托卡马克等离子体，被称为核聚变试验的“加速器”。

这些结果标志着核聚变材料朝着可控核聚变迈出重大一步，同时也为设计和建设未来的聚变电厂提供科学依据和技术支持。

其中，两个主要突破是:

一、越过Greenwald密度限制。

二、创建高压“超级H模”。

在此之前，DIII-D已经实现了超过20%的密度，从而达到或超过了Greenwald限制。

这是Dense H-mode plasma state的一种状态，在此之前，科学家们没有想到会有如此高的密度。

通过这种新的状态，HDI-D等离子体可以在极短的时间内加入大量能量，从而增强聚变反应。

第二个突破则创建高压“超级H模”。

这种状态是H-mode plasma的一种变化状态，是一种比普通H-mode更先进、更稳定的状态。

超级H-mode的出现极大地增加了DIII-D等离子体的能量输出和稳定性，使其能够长时间保持超导状态，并极大提高了反应堆的稳定性和能量输出效率。

在这20万次实验性“点火”中，DIII-D等离子体先后经历了2000次实验性的H型等离子体放电，这相当于每次放电之间间隔不到15分钟。

自1986年以来，DIII-D就一直在进行这种等离子体实验，而此次实验则是迄今为止累积完成的最高质量实验。

然而，令人惊讶的是，在如此庞大的实验数据中，实际上基本上没有重大故障发生。

在国际热核聚变实验堆(ITER)建成之前，DIII-D被认为是世界上最重要的核聚变研究装置。

自美国研制出这一设备以来，DIII-D就发现了许多重要的等离子体物理学现象，并已经成为世界各地各种聚变研究设施设计的标杆。

为什么DIII-D要进行这么多次实验性的“点火”?

众所周知，在测试之前，设计目标非常不明确，还存在许多不确定性，因此必须反复进行实验以获得必要的最大经验。

然而，在经过多年的研究之后，这些努力终于开始取得回报。

经过大量的实验和研究，加州大学圣迭戈分校的科学家表示，他们已经掌握了设计工作所需的大部分信息。

核聚变是对太阳发电方式的一种模拟，它是通过将两个原子结合成一个新的原子，并释放出大量能量实现的过程。

构成宇宙99%的氢气和氦气正是最好的原料，通过对它们的利用，科学家希望能够在地球上制造出丰富无穷又取之不尽用之不竭的能源。

然而，要实现这一目标仍面临许多巨大挑战。

核聚变过程需要在高温高压环境下进行，此时氢气会发生气体第三种状态的变化，即等离子体状态。

这使得氢气粒子更容易碰撞，更容易结合为氦气，从而释放出巨大的能量。

然而，要在地球上实现这一过程并非易事。

高温等离子体不仅很难产生，同时还很难维持，即便成功产生也很难维持更长的时间。

因此，一项耗资巨大且历时30年的新国际合作模式正逐渐浮出水面，这个新装置也被称为“太阳机”或“缩小版太阳”，其规模堪比一座大型购物中心。

中国也在这一领域做出了重大突破。

据报道称，我国在2021年曾成功让核聚变反应堆实现了持续放电超过1000秒，并且这个新陈代谢过程是通过超导材料来完成的，功率高达159兆瓦，也就是相当于20万房子的用电总和。

此次美国“DIII-D”国家聚变设施实验室实现20万多个实验性“点火”里程碑，不仅可望推动聚变发电向更具经济性的方向发展，还会推动相关技术商业化进程，有助于世界各国降低碳排放、应对气候变化，而且可能会通过为一些国家提供额外替代能源来显著提高全球能源供应能力。

根据2022年泛太平洋核聚变与工程技术学术会议上透露的消息，我国的一项重要贡献是在DIII-D中国团队凭借尖端技术帮助实现的一系列重要进展。

这项工作涉及到数据处理、数据分析、建模和推理等多个领域。

众所周知，美国30年来一直没有邀请中国大陆参与核聚变研究，但这并不意味着中国科学家无法积极参与国际合作。

事实上，中国大陆一直在通过多种渠道获得必要的数据，以支持他们在DIII-D（托卡马克型核聚反应堆）上的研究工作。

这表明，即使没有直接参与，中国科学家仍然能够贡献他们的智慧，对全球核聚变研究产生积极影响。

最明显的例子就是湍流对等离子体控制的重要影响。

由于湍流会对磁场产生深远影响，因此有效抑制湍流、消除突发事件对于保持与控制等离子体稳定至关重要。

华中科技大学的杨幂老师和他的团队可能是目前世界上唯一一个能够准确预测湍流启动时间和结束时间的例子，而这一预测成果已经成功应用于实际超导装置中。

至于华南理工大学的徐晓丹老师和他的团队，他们开发了一套先进的方法，该方法可以通过各种参数推导出所需的关键数据，有效改善湍流抑制效果，其成果已广泛推广应用于多个国际项目中，包括在美国、日本、欧洲等国家和地区实施，这些项目都取得了显著成果。

随着预测技术的发展，全世界都将能够更好地理解如何应对湍流，为未来设计更加高效安全的核聚变反应堆铺平道路。