科學家的瘋狂想法：在地球上養個小太陽

美國能源部普林斯頓等離子體實驗室（簡稱PPPL）的物理學家們近日在期刊《核聚變》上發表了一篇論文，公布了他們研發新一代核聚變設備的計劃。PPPL實驗室前不久剛剛完成「國家球形托卡馬克實驗升級」，耗資約9400萬美元（約合6.27億人民幣），於去年開始運作。

美國政府的科學家們計劃創造一顆「罐子中的恆星」，在地球上複製出太陽和其它恆星通過核聚變產生能量的方式。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生電力了。

新一代核聚變設備

核聚變需要把氫原子置於高溫和高壓之下，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驗室（簡稱PPPL）的物理學家們近日在期刊《核聚變》（Nuclear Fusion）上發表了一篇論文，公布了他們研發新一代核聚變設備的計劃。「我們希望能為未來的發電廠提供新的發電途徑。」該研究的主要作者喬納森·梅納德說道。他同時也是PPPL實驗室前不久剛剛完成的「國家球形托卡馬克實驗升級」（簡稱NSTX-U）項目的項目主管。此次升級耗資約9400萬美元（約合6.27億人民幣），由美國能源部科學辦公室出資贊助，於去年開始運作。

PPPL實驗室和英格蘭的卡拉姆都已經擁有了球形托卡馬克裝置。這些托卡馬克（或者說核聚變反應堆）或能為我們進行核聚變的下一步研究提供思路，幫助科學家設計出新型核聚變裝置，作為商用核聚變發電廠的試點工廠進行發電。

研究人員稱，PPPL實驗室的托卡馬克裝置在升級之後，能量更加強大，同時卡拉姆的兆安球形托卡馬克（簡稱MAST）設備升級也即將完成，這都將使我們朝著商用核聚變發電廠的建成更進一步。PPPL實驗室主管斯圖爾特·普拉格指出，NSTX和MAST裝置「將進一步推動物理學的發展，增進我們對高溫等離子體的了解，並為核聚變的發展打下科學基礎。」。

物理學上的挑戰

然而，這些裝置也面臨著許多物理學上的挑戰。例如，當超高溫等離子體粒子暴露在強大電磁場中時，會出現劇烈的波動，這些裝置必須對其加以控制。此外，它們還必須仔細地控制等離子體粒子與四周圍牆間的關係，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行。PPPL實驗室、卡拉姆實驗室和其它實驗室的研究人員都在努力尋找解決這些挑戰的方法，以便更好地研發新一代核聚變裝置。

雖然托卡馬克的設計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生高壓等離子體（超高溫的帶電氣體，被視作物質的第四種狀態，是核聚變反應的關鍵條件）。這種特殊的能力將幫助科學家開展新一代核聚變實驗，對國際熱核聚變實驗堆（簡稱ITER）加以補充。ITER位於法國，由包括美國在內的35個國家共同修建，用於研究核聚變的可能性。ITER是一台甜甜圈狀的托卡馬克。等修建完成之後，它將是全球體積最大的托卡馬克。

「我們之所以要研發球形托卡馬克，主要是想減小利用托卡馬克進行核聚變的成本。」英國原子能總署最新任命的主管、卡拉姆科學中心磁約束聚變研究計劃的帶頭人伊安·查普曼說道。托卡馬克中心孔洞的大小是問題的關鍵。在球形托卡馬克中，這個孔的大小只有傳統托卡馬克的一半，因此可以利用相對更弱的磁場來控制等離子體。孔洞縮小之後，還可以與用於產生氚（氫的一種同位素）的系統兼容。在下一代托卡馬克中，氚將與氘（氫的另一種同位素）產生核聚變反應。

在試點發電廠中，研究人員希望能用超導磁體來代替核聚變裝置中的銅磁體。超導磁體的效率比銅磁體高得多，但需要用更厚的防護罩來保護。不過，高溫超導體近期取得了一定進展，或能大大縮小超導磁體的厚度，從而減少所佔空間，也能大大降低機器的體積和造價。

反應裝置的中心部分被放置歸位。

反應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動的中性原子射進等離子體中，並對約束和控制高溫等離子體的磁場加以優化。

全球最大的「仿星器」核聚變反應器

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

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

今年早些時候，科學家成功啟動了全球最大的「仿星器」核聚變反應器（Stellarator）。該反應器名叫「Wendelstein 7-X」（簡稱W7-X）。它可以耐得住等離子體的超高溫考驗，每次時間可超過30分鐘。核聚變反應堆（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，該反應器在十分之一秒的時間內，製造出了一種特殊的超高溫氣體。該反應器在產生氦等離子體時，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行約束。這些磁線圈會在真空室內部周圍產生彎曲的磁場線，從而牢牢地控制住其中的等離子體。

1951年，在普林斯頓大學工作的萊曼·斯皮策（Lyman Spitzer）首次提出了仿星器的概念。當時受到材料的限制，人們認為該設計太過複雜。而如今，在超級計算機和新型材料的幫助下，研究人員終於把斯皮策的設想變成了現實。

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，另一組則是內部變壓器，用於驅動等離子體中的電流流動。這樣一 來，中心的磁場就會強於外部，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行約束。這些磁線圈會在 真空室內部周圍產生彎曲的磁場線，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。

圖為該系統初次測試時的圖像，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。

該裝置的裝配時間長達110萬小時，利用了世界上最複雜的機械模型。去年六月，人們對W7-X核聚變裝置中的磁場進行了測試，遠遠早於原本預計的時間。測試結果顯示，用於約束等離子體的「磁場籠」完全符合科學家的預料。

科學家希望，如果它的工作時間能進一步延長的話，最終能夠為我們帶來無限清潔、廉價的能源供應。「我們對此非常滿意。」 W7-X反應堆項目負責人漢斯·史蒂芬·波什博士在實驗的第一天說道。「一切都按照計劃進行。」

「我們都知道全球發展的趨勢是什麼，新興經濟體和新興國家都對能源有著迫切的需求。」聯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。W7-X仿星器是至關重要的一步，能讓我們更好地對核聚變進行評估。」

在下一個任務中，科學家將設法延長等離子體放電的時間，並找出利用微波製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為現實。讓反應器長時間保存超高溫等離子體一直是科學家追求的目標，一旦成功，科學家便能為我們提供取之不盡、用之不竭的能量。（葉子）

來源新浪探索

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