美國能源部普林斯頓等離子體實(shí)驗(yàn)室（簡稱PPPL）的物理學(xué)家們近日在期刊《核聚變》上發(fā)表了一篇論文，公布了他們研發(fā)新一代核聚變設(shè)備的計(jì)劃。PPPL實(shí)驗(yàn)室前不久剛剛完成“國家球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)升級”，耗資約9400萬美元（約合6.27億人民幣），于去年開始運(yùn)作。

　　新浪科技訊 北京時(shí)間9月1日消息，據(jù)國外媒體報(bào)道，美國政府的科學(xué)家們計(jì)劃創(chuàng)造一顆“罐子中的恒星”，在地球上復(fù)制出太陽和其它恒星通過核聚變產(chǎn)生能量的方式。如果成功的話，人類將會獲得取之不盡、用之不竭的能量，再也不需要依賴化石燃料來產(chǎn)生電力了。

　　新一代核聚變設(shè)備 

核聚變需要把氫原子置于高溫和高壓之下，直到它們聚變成為氦原子。

　　美國能源部普林斯頓等離子體實(shí)驗(yàn)室（簡稱PPPL）的物理學(xué)家們近日在期刊《核聚變》（Nuclear Fusion）上發(fā)表了一篇論文，公布了他們研發(fā)新一代核聚變設(shè)備的計(jì)劃。“我們希望能為未來的發(fā)電廠提供新的發(fā)電途徑。”該研究的主要作者喬納森·梅納德說道。他同時(shí)也是PPPL實(shí)驗(yàn)室前不久剛剛完成的“國家球形托卡馬克實(shí)驗(yàn)升級”（簡稱NSTX-U）項(xiàng)目的項(xiàng)目主管。此次升級耗資約9400萬美元（約合6.27億人民幣），由美國能源部科學(xué)辦公室出資贊助，于去年開始運(yùn)作。

　　PPPL實(shí)驗(yàn)室和英格蘭的卡拉姆都已經(jīng)擁有了球形托卡馬克裝置。這些托卡馬克（或者說核聚變反應(yīng)堆）或能為我們進(jìn)行核聚變的下一步研究提供思路，幫助科學(xué)家設(shè)計(jì)出新型核聚變裝置，作為商用核聚變發(fā)電廠的試點(diǎn)工廠進(jìn)行發(fā)電。

　　研究人員稱，PPPL實(shí)驗(yàn)室的托卡馬克裝置在升級之后，能量更加強(qiáng)大，同時(shí)卡拉姆的兆安球形托卡馬克（簡稱MAST）設(shè)備升級也即將完成，這都將使我們朝著商用核聚變發(fā)電廠的建成更進(jìn)一步。PPPL實(shí)驗(yàn)室主管斯圖爾特·普拉格指出，NSTX和MAST裝置“將進(jìn)一步推動物理學(xué)的發(fā)展，增進(jìn)我們對高溫等離子體的了解，并為核聚變的發(fā)展打下科學(xué)基礎(chǔ)。”

　　物理學(xué)上的挑戰(zhàn)

　　然而，這些裝置也面臨著許多物理學(xué)上的挑戰(zhàn)。例如，當(dāng)超高溫等離子體粒子暴露在強(qiáng)大電磁場中時(shí)，會出現(xiàn)劇烈的波動，這些裝置必須對其加以控制。此外，它們還必須仔細(xì)地控制等離子體粒子與四周圍墻間的關(guān)系，防止等離子體變得密度過大、或者受到了污染，從而阻礙核聚變的進(jìn)行。PPPL實(shí)驗(yàn)室、卡拉姆實(shí)驗(yàn)室和其它實(shí)驗(yàn)室的研究人員都在努力尋找解決這些挑戰(zhàn)的方法，以便更好地研發(fā)新一代核聚變裝置。 

雖然托卡馬克的設(shè)計(jì)很適合用來容納等離子體，但一旦電流中斷、或遇到了磁干擾，就會帶來一些安全問題。

　　球形托卡馬克的形狀如同帶核的蘋果。而傳統(tǒng)的托卡馬克則更像甜甜圈，比球形托卡馬克要矮胖一些。球形托卡馬克可以在相對較弱、成本較低的磁場中產(chǎn)生高壓等離子體（超高溫的帶電氣體，被視作物質(zhì)的第四種狀態(tài)，是核聚變反應(yīng)的關(guān)鍵條件）。這種特殊的能力將幫助科學(xué)家開展新一代核聚變實(shí)驗(yàn)，對國際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（簡稱ITER）加以補(bǔ)充。ITER位于法國，由包括美國在內(nèi)的35個(gè)國家共同修建，用于研究核聚變的可能性。ITER是一臺甜甜圈狀的托卡馬克。等修建完成之后，它將是全球體積最大的托卡馬克。

　　“我們之所以要研發(fā)球形托卡馬克，主要是想減小利用托卡馬克進(jìn)行核聚變的成本。”英國原子能總署最新任命的主管、卡拉姆科學(xué)中心磁約束聚變研究計(jì)劃的帶頭人伊安·查普曼說道。托卡馬克中心孔洞的大小是問題的關(guān)鍵。在球形托卡馬克中，這個(gè)孔的大小只有傳統(tǒng)托卡馬克的一半，因此可以利用相對更弱的磁場來控制等離子體?？锥纯s小之后，還可以與用于產(chǎn)生氚（氫的一種同位素）的系統(tǒng)兼容。在下一代托卡馬克中，氚將與氘（氫的另一種同位素）產(chǎn)生核聚變反應(yīng)。

　　在試點(diǎn)發(fā)電廠中，研究人員希望能用超導(dǎo)磁體來代替核聚變裝置中的銅磁體。超導(dǎo)磁體的效率比銅磁體高得多，但需要用更厚的防護(hù)罩來保護(hù)。不過，高溫超導(dǎo)體近期取得了一定進(jìn)展，或能大大縮小超導(dǎo)磁體的厚度，從而減少所占空間，也能大大降低機(jī)器的體積和造價(jià)。 

反應(yīng)裝置的中心部分被放置歸位。 

反應(yīng)裝置的中心部分被放置歸位。

　　研究人員還在論文中描述了一種名叫“中心束注入裝置”的設(shè)備，不需要利用托卡馬克中的高溫線圈，就能夠啟動和保持等離子流。中心束注入裝置會把高速運(yùn)動的中性原子射進(jìn)等離子體中，并對約束和控制高溫等離子體的磁場加以優(yōu)化。

　　全球最大的“仿星器”核聚變反應(yīng)器 

目前的實(shí)驗(yàn)利用的都是形如甜甜圈的反應(yīng)器，如世界上最大的“仿星器”裝置。該反應(yīng)器名為“Wendelstein 7-X”（簡稱W7-X）。它可以耐得住等離子體的超高溫考驗(yàn)，每次時(shí)間可超過30分鐘。

目前的實(shí)驗(yàn)利用的都是形如甜甜圈的反應(yīng)器，如世界上最大的“仿星器”裝置。該反應(yīng)器名為“Wendelstein 7-X”（簡稱W7-X）。它可以耐得住等離子體的超高溫考驗(yàn)，每次時(shí)間可超過30分鐘。

　　今年早些時(shí)候，科學(xué)家成功啟動了全球最大的“仿星器”核聚變反應(yīng)器（Stellarator）。該反應(yīng)器名叫“Wendelstein 7-X”（簡稱W7-X）。它可以耐得住等離子體的超高溫考驗(yàn)，每次時(shí)間可超過30分鐘。核聚變反應(yīng)堆（如W7-X）利用的原料是兩種不同的氫原子——氘和氚，還需要把氣體注入安全殼中。接下來，科學(xué)家會為其提供能量，把電子從原子中去除，形成所謂的離子等離子體，釋放出巨大的能量。上周，該反應(yīng)器在十分之一秒的時(shí)間內(nèi)，制造出了一種特殊的超高溫氣體。該反應(yīng)器在產(chǎn)生氦等離子體時(shí)，溫度接近1百萬攝氏度。 

在仿星器中，等離子體由外部磁線圈進(jìn)行約束。這些磁線圈會在真空室內(nèi)部周圍產(chǎn)生彎曲的磁場線，從而牢牢地控制住其中的等離子體。

　　1951年，在普林斯頓大學(xué)工作的萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）首次提出了仿星器的概念。當(dāng)時(shí)受到材料的限制，人們認(rèn)為該設(shè)計(jì)太過復(fù)雜。而如今，在超級計(jì)算機(jī)和新型材料的幫助下，研究人員終于把斯皮策的設(shè)想變成了現(xiàn)實(shí)。

　　在托卡馬克中，研究人員用兩組磁鐵來約束等離子體。一組為外部裝置，圍繞著真空室，另一組則是內(nèi)部變壓器，用于驅(qū)動等離子體中的電流流動。這樣一 來，中心的磁場就會強(qiáng)于外部，因此托卡馬克中的等離子體會朝著外壁移動，一旦撞上便會破裂。而在仿星器中，等離子體由外部磁線圈進(jìn)行約束。這些磁線圈會在 真空室內(nèi)部周圍產(chǎn)生彎曲的磁場線，從而牢牢地控制住其中的等離子體，不讓它們接觸到容器四壁。 

圖為該系統(tǒng)初次測試時(shí)的圖像，顯示了熒光分支閉合的過程，相互嵌套的磁場表面也得以展現(xiàn)。

　　該裝置的裝配時(shí)間長達(dá)110萬小時(shí)，利用了世界上最復(fù)雜的機(jī)械模型。去年六月，人們對W7-X核聚變裝置中的磁場進(jìn)行了測試，遠(yuǎn)遠(yuǎn)早于原本預(yù)計(jì)的時(shí)間。測試結(jié)果顯示，用于約束等離子體的“磁場籠”完全符合科學(xué)家的預(yù)料。

　　科學(xué)家希望，如果它的工作時(shí)間能進(jìn)一步延長的話，最終能夠?yàn)槲覀儙頍o限清潔、廉價(jià)的能源供應(yīng)。“我們對此非常滿意。” W7-X反應(yīng)堆項(xiàng)目負(fù)責(zé)人漢斯·史蒂芬·波什博士在實(shí)驗(yàn)的第一天說道。“一切都按照計(jì)劃進(jìn)行。”

　　“我們都知道全球發(fā)展的趨勢是什么，新興經(jīng)濟(jì)體和新興國家都對能源有著迫切的需求。”聯(lián)邦教育和研究部部長約翰娜·萬卡指出，“因此我們需要通過研究，拓寬能源獲取渠道。渠道之一就是核聚變反應(yīng)。W7-X仿星器是至關(guān)重要的一步，能讓我們更好地對核聚變進(jìn)行評估。”

　　在下一個(gè)任務(wù)中，科學(xué)家將設(shè)法延長等離子體放電的時(shí)間，并找出利用微波制造和加熱氦等離子體的最好方法。研究人員稱，該裝置或能幫助我們將核聚變變?yōu)楝F(xiàn)實(shí)。讓反應(yīng)器長時(shí)間保存超高溫等離子體一直是科學(xué)家追求的目標(biāo)，一旦成功，科學(xué)家便能為我們提供取之不盡、用之不竭的能量。