加入核武器的原料，這個聚變反應堆將代表能源的未來

美國阿爾伯克基市的桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）有一個著名聚變反應堆「Z裝置」（Z machine）。等離子體物理學家們每次對反應堆進行點火試驗時總能看到奇特的一幕：煙霧從裝置上裊裊騰起，猶如火山噴發。

Z裝置所用電容的儲電量比一千次閃電的放電量還有多，反應堆點火時，2000萬安培的電流湧入鉛筆橡皮頭大小的柱形燃料元件。電流激發出強烈的電磁場，在電磁場作用下燃料元件內的氫原子極速壓縮，發生強烈的聚變反應，並釋放出高能中子和氦原子核。柱形燃料外圍是10公斤金屬做成的複雜包殼結構，但劇烈反應所釋放的能量太大，大到足以使金屬包殼化為雲煙。

Z裝置的脈衝電流形成的強磁場壓縮燃料元件發生聚變反應

「這相當於釋放出了三隻炸藥的能量」，該工程的一名項目經理邁克·庫尼奧（Mike Cuneo）說。「點火之後，裝置會留下一個一英尺寬的火山口。」

目前，物理學家準備在燃料中加入用於熱核武器的稀有原料，這一抉擇雖有風險卻頗有成效。

從最近幾年發表的有關聚變堆的計算、模擬和試驗結果可以看出，相比與激光和托克馬克聚變裝置，Z裝置更有希望率先實現自持聚變反應，並且其成本也相對較低。

目前，Z裝置聚變燃料主要以氘元素為主，氘-氘反應釋放能量相對較少。今年8月，研究人員向燃料中添加了少量氚，未來5年氘-氚（DT）比例會逐漸提升到1比1。

氘-氚反應所釋放的中子量是氘-氘反應的60至90倍，並且中子與α粒子的能量也是後者的4倍多。隨著燃料中氚比例增多，反應所釋放能量也相應增大。

世界上其他一些聚變堆燃料也是用這種方法。比如位於英國阿賓登（Abingdon）的托克馬克裝置歐洲聯合環流器（Joint European Torus，JET），它在1997年進行的氘-氚聚變反應釋放出了16兆瓦的電力，但持續時間還不到一秒。

目前，JET依然是聚變堆輸出能量的記錄保持者。對JET能量輸出影響最大的是反應堆內的石墨器壁。「石墨壁像海綿一樣，吸收了70%的氚，」薩維爾·利托頓（Xavier Litaudon）回憶道。利托頓是牛津大學ITER項目負責人，他目前正為2019年新一輪JET氘-氚反應募集資金。

位於法國卡達拉什（Cadarache）的國際托克馬克聚變裝置ITER目前仍然在建，它的最終目標就是用氘-氚反應凈能量輸出。但ITER的預算已經超標，預期目標也沒能實現。

托克馬克與Z裝置原理不同：前者是利用環形磁場來約束高溫等離子體，屬於磁約束；後者利用燃料的慣性與強電流形成的磁籠，在微秒時間範圍內發生劇烈反應，屬於磁-慣性約束。這種反應原理與加州的勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（National Ignition Facility ，NIF）類似，所不同的是NIF用萬億瓦功率的激光來誘發聚變反應。

桑迪亞和NIF的聚變裝置沒有石墨壁，所以科學家們不必擔心氚燃料會像托克馬克裝置一樣被吸收。據庫尼奧介紹，相較於NIFTY，Z裝置磁場可以約束α粒子，將更多能量用於維持聚變反應。

目前世界上僅有3個氘-氚聚變堆，Z裝置是其中之一。其中一個原因是成本問題。每克氚價格上萬美元，因為氚沒有自然存儲，只能作為裂變反應副產品而獲得。

還有一個問題是安全性。「氚的半衰期是12年，有輕微放射性，必須謹慎處理，」普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究員瑞奇·哈夫雷盧克（Rich Hawryluk）說。

而且氘-氚反應釋放出的中子轟擊反應堆的結構鋼，也會使後者帶有輕微放射性。所以PPPL在90年的進行完氘-氚實驗將裝置關閉後，將反應容器裝滿混凝土並埋在華盛頓州的漢福德核基地。

據哈夫雷盧克介紹，氚遇水甚至濕空氣會形成氚水，它的生物毒性是純氚氣的上萬倍。未來避免事故，Z裝置將水池和油池內的電子元件進行隔離。「我們課不想有氚水生成，」庫尼奧說。

而NIF的氚元素包裹在一個小球內，而且工作人員也不經常進入裝置內部，所以氚的危險性也較小。相比之下，桑迪亞裝置的燃料元件兩端開口，在劇烈反應下氚會與到處飛濺的氣態金屬相混合。「每次點火後工作人員都要進入裝置內部，將加速器中心的裝置整個換掉，」庫尼奧說。

儘管如此，Z裝置仍然堅持用氚作燃料。這是因為氚可以產生額外中子，後者有助於揭示瞬間存在的高溫高密度等離子體的行為。在明年的三次點火試驗中，研究人員會移除含氚系統，以檢測空氣凈化系統的安全性並且更加透徹地研究中子。

「雖然最近的試驗只添加的十分之一的氚，但結果很令人振奮，」庫尼奧補充道，「過去我們很難相信可以用氚進行聚變反應。」

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