德國造出未來核電廠模型 「仿星器」離人類可控核聚變夢想又進了一步

六十多年來，科學家們一直夢想著將核聚變所產生的巨大能量轉化為清潔、取之不盡的能源來源。但是，核聚變的不可控制成為最大的難題。如今，在德國馬克思普朗克學會等離子體物理研究所（IPP）的努力下，這一夢想可能很快就要實現了。

上周，美國《科學》周刊消息稱，經過一年的測試，科學家們正力圖在今年11月底前，將全球最大的「仿星器」——Wendelstein 7-X投入使用。

就像太陽能量的產生依靠原子核的聚變反應一樣，「仿星器」（Stellarator）的本質上是一種核聚變反應研究設備。仿星器通過模仿恆星內部持續不斷的核聚變反應，將等離子態的氫同位素氘和氚約束起來，並加熱至1億攝氏度的高溫，發生聚變以獲得持續不斷的能量，最終幫助人類實現對核聚變釋放能量的有效利用。

Wendelstein 7-X裝置。圖片來源：IPP

這臺坐落在德國東北部城市格賴夫斯瓦爾德的Wendelstein 7-X反應堆，其核心部件磁線圈裝置高度大約3.5米，整個設備的寬約為16米。總共耗時110萬小時，投入約10億歐元，於2014年建成。最關鍵的是，其一次運行可以連續約束超高溫等離子體長達30分鐘。

能否實現對超高溫等離子體的長時間約束，是反應堆設計領域的關鍵所在，這意味著是否能夠控制核聚變。

根據知乎作者夏曉昊的解釋，可控核聚變是指可以控制核聚變的開啟和停止，以及隨時可以對核聚變的反應速度進行控制。

簡單而言，同樣是可燃燒物質，火藥可以用來做成炸彈，利用其高能量瞬間爆發的破壞性；同時也可以摻點雜質，做成蜂窩煤，使其當做煤爐燃料來緩慢釋放能量，而燃燒或熄滅均可控制的秘訣，在於蜂窩煤爐的爐門。將蜂窩煤爐的燃料換成核燃料，燒上開水，讓開水變成蒸汽去推動輪機發電，就相當於核電站的基本雛形。

德國科學家稱，核聚變所需的燃料氘、氚，在自然界中儲存量十分巨大，而一公斤核聚變燃料所產生的電能又等同於1.1萬噸煤炭；除此之外，核聚變反應爐既不排放二氧化碳，也比目前核電廠所採用的核裂變反應爐，產生更少的核廢料，放射性也將在短期內消失。「仿星器」設計方案可能是未來最為合適的核電廠類型。

「全球能源需求不斷增長，我們必須探索一切獲取能源的可能性。Wendelstein 7-X是全球最大的仿星器裝置，能有效幫助我們拓展對核聚變的認識，希望藉助此類實驗找到長期維繫能源的可持續供應的新方法。」德國聯邦教研部長約翰娜·萬卡（Johanna Wanka）在該裝置的竣工儀式上表示。

除了Wendelstein 7-X型反應堆，從事核聚變的物理學原理研究的馬克思普朗克研究所，目前運營著慕尼黑附近加興市（Garching）的託克馬克（Tokamaks）裝置，這也讓馬克思普朗克成為世界上唯一一家同時擁有兩種不同類型聚變裝置的研究所。

託克馬克（Tokamaks）裝置。圖片來源：IPP

託克馬克裝置是目前核聚變領域最為常見的設計方案，其典型外觀是一種中空的金屬艙，外形類似中空的蛋糕甜點。隨著加入其中的燃料被加熱，溫度超過1500萬攝氏度，將產生超高溫等離子體。

不過，託克馬克的設計存在安全隱患。其採用了兩組強大的磁鐵提供對等離子體的約束，磁鐵分別安放在真空腔和設備內部，以驅動真空腔內的等離子體運動。但這會使裝置內部磁場強度高於外部，有可能使得裝置內部的等離子體衝向設備外壁，並與電子結合，重新變成原子。一旦電流或磁場中斷，將對整個反應堆造成破壞，影響安全。

與之相比，Wendelstein 7-X型反應堆的優勢之一就在於，可以克服託克馬克裝置設計中的安全缺陷。該裝置中，等離子體採用外部磁線圈產生的扭曲磁感線，對內部運行的等離子體進行約束，杜絕了上述安全隱患。

此外，約束高溫等離子體的時長是Wendelstein 7-X型反應堆的另一個優勢。Wendelstein 7-X型反應堆對高溫等離子體的連續約束時間長達30分鐘，遠遠高於託克馬克6分30秒的最高紀錄。較短的約束時間，會使得託克馬克裝置的能源消耗大於產出。

不過，也有專家對在線新聞網站BI表示，懷疑Wendelstein 7-X對等離子體的約束時間。「世界都在等待Wendelstein 7-X最終的約束時間，現在到了證明的時候。」普林斯頓等離子體物理實驗室的負責人大衛·蓋茨（David Gates）對《科學》周刊稱。