在 DIII-D 國家聚變設施，科學家們正在探索一種不同的托卡馬克操作方式，這種新方法在未來聚變電廠的設計上顯示出有希望的結果。近期的實驗表明，名為「負三角形」的等離子體配置能夠達到持續聚變能量所需的高性能條件，同時也解決了與反應堆內熱量管理相關的關鍵挑戰。在 2023 年，DIII-D 設施進行了一項專門的實驗活動，以評估這種操作方法。研究結果顯示，負三角形等離子體能夠產生穩定的條件，滿足甚至在某些情況下超越未來聚變試點電廠的要求。這些結果引人注目，因為聚變界之前曾預測這種等離子體形狀的穩定性會低於傳統方法。
托卡馬克裝置在聚變能量研究中佔據核心地位，它們利用強大的磁場來限制和塑造等離子體——一種物質狀態，在這種狀態下，原子被加熱到極高的溫度，導致它們分離成離子和電子。其目標是利用當這些原子核融合時釋放出的能量。要使聚變電廠經濟上可行，托卡馬克必須同時實現高等離子體壓力、電流和密度，同時有效地限制熱量。負三角形的配置將等離子體的橫截面形狀從傳統的「D」形改為倒「D」形，曲面朝向托卡馬克的內壁。在 DIII-D 的實驗中，這種形狀展示了意想不到的低不穩定性。研究人員能夠同時達到高壓力、高密度和高電流，並觀察到在這些條件下，等離子體的熱量限制非常好。
托卡馬克設計中一個重大挑戰是核心與邊緣的整合問題，即在保持聚變反應發生的高溫等離子體核心的同時，如何保持邊緣等離子體的低溫，以防止熱量損害設備的內壁。負三角形實驗為此問題提供了潛在的解決方案。研究人員首次在負三角形形狀下實現了高等離子體限制與「分流器脫附」的結合。這種條件創造了一個較冷的邊界層，減少了材料表面上的熱量和電子溫度。這是在維持無不穩定性等離子體邊緣的情況下實現的，這表明核心和邊緣之間的整合解決方案有了進展。科學家們現在正在利用先進的模擬工具更仔細地研究這些分流器條件，這將幫助他們自信地將研究結果推廣到未來的聚變電廠設計中。
研究人員在新聞稿中指出，這些特徵共同顯示了負三角形的潛在希望，並支持進一步調查這一範疇作為聚變試點電廠設計的發展。負三角形的優勢之一是能更好地抑制導致粒子和能量被驅逐的等離子體不穩定性。這也有助於減少對托卡馬克壁的損害，這在聚變反應堆中是一個重要考量。今年一月，位於西班牙塞維利亞大學的世界唯一負三角形聚變反應堆 SMART（小長徑托卡馬克）成功產生了首個等離子體，為負三角形形狀的潛力提供了進一步的驗證。這些發現對於推動聚變能的研究和應用具有重要意義，未來的聚變電廠設計將可能受益於這些新方法的成功。
