在 2022 年 9 月 7 日發表於《自然》雜誌上的一篇文章中，韓國首爾國立大學的 Yong-Su Na 團隊，詳細介紹了他們是如何讓核聚變反應堆維持 30 秒的 1 億攝氏度極端高溫的。雖然當前實驗裝置的規模相對有限，但不斷刷新的研究成果，正在讓我們逐漸接近未來可用的商業聚變反應堆。
韓國超導托卡馬克高級研究實驗（圖自：Korea Institute of Fusion Energy）
學界普遍推測，商用核聚變還要數十年才能走向現實。但在此期間，我們在理解和結果方面的漸進式進展也在不斷湧現。
比如 2021 年進行的一項實驗，就已經實現了能量輸入與輸出的自維持，現研究團隊正在制定商業反應堆的概念設計。與此同時，法國大型 ITER 實驗性聚變反應堆的工作也在有條不紊的推進中。
研究配圖 1 – 托卡馬克幾何結構與 FIRE 模式的參數演變
據悉，對等離子體的控制，是聚變反應堆研究中的一個難點。若接觸到器壁，等離子體就會迅速冷卻、抑制反應、並對容納它的腔室造成重大損害。
研究人員通常使用各種形式的磁場來控制等離子體，比如藉助 ETB 邊緣傳輸屏障。它能夠在反應器壁附近形成壓力急劇截止的等離子體，這種狀態可阻止熱量和等離子體的逸出。
其次是 ITB 內部傳輸屏障，該方案可在靠近等離子體中心的地方產生更高的壓力 —— 但兩者都難以避免不穩定的問題。
研究配圖 2 – FIRE 模式與混合模式之間的比較
好消息是，Yong-Su Na 團隊在韓國超導托卡馬克高級研究（KSTAR）的實驗裝置上，成功運用了改進后的 ITB 技術。
通過實現低得多的等離子體密度，他們的方案似乎提高了等離子體的核心溫度、並降低了邊緣的溫度，因而有望延長聚變反應堆的組件壽命。
倫敦帝國理工學院的 Dominic Power 表示，為增加反應堆的能量輸出，你可以讓等離子體變得極熱、緻密、或增加限制時間。
研究配圖 3 – 快離子與電子密度之比
不過這支韓國研究團隊發現，密度限制實際上比傳統的操作模式要低一些，而這不一定是壞事 —— 因為它可以通過核心中更高的溫度來補償，這絕對是一項振奮人心的進展。
只是我們對物理學的理解能否擴展到更大的設備上，目前仍存在着很大的不確定。所以像 ITER 之類的裝置，其體型要比 KSTAR 要大得多。
Yong-Su Na 補充道，低密度是這項研究的一個關鍵。而等離子體核心的“快速”（或更高能的）離子 —— 即所謂的快速離子調節增強（FIRE）—— 則是維持反應器穩定性不可或缺的一部分。
研究配圖 4 – FIRE 模式的旋動模擬結果
目前該團隊尚未完全了解其中涉及的機制，且由於硬件的限制，反應會在 30 秒后停止。展望未來，KSTAR 有望達成更耀眼的成就。
現在 KSTAR 正在停機升級，通過將反應器壁上的碳成分換為鎢，Yong-Su Na 表示此舉將提升實驗的可重複性。
擴展數據圖 1 – KSTAR 裝置的外內部視圖
最後，英國曼徹斯特大學的 Lee Margetts 表示：
聚變反應堆的物理特性正在逐漸深入人心，但在建造一座切實可行的聚變反應電廠之前，仍需克服一些技術障礙。
其中包括如何從中提取熱量，並用它來產生電流的方法。顯然到了這一步，研究的重點將更側重於工程學、而不是物理學。