炮製「恆星」:全球科學家期待德國「仿星器」測試結果

原標題：炮製「恆星」

　　

　　全世界都在等待著，看我們是否能夠達到約束時間以及控制其進行一次長時間脈衝。

　　核聚變學家翹首以盼全球最大仿星器——德國WX-7核聚變裝置測試結果。

　　圖片來源：IPP BY C. BICKEL

　　如果你聽說過核聚變，那麼你就聽說過託卡馬克。這種像甜甜圈一樣的設備在被加熱到讓氫原子核熔化的超高溫時，可以把一種叫作等離子體的電離氣體通過磁場圈在「籠子」中。託卡馬克是承載核聚變反應的設備。儘管對工程師來說，它是一種固體的、對稱的、操作簡便的設備，但是相關工程進展卻單調乏味、冗長緩慢。

　　現在，託卡馬克難以駕馭的「表兄弟」也正在走進視線。德國東北部的一個實驗室中隱約閃現著微弱的光亮，研究人員正準備啟動一個叫作「仿星器」的核聚變設備，這是目前為止最大的核聚變設備。

　　這臺斥資10億歐元的機器名叫文德爾施泰因7-X（W7-X）。這個光芒閃爍的裝置擁有16米寬的直徑，上面布滿了各種形狀和尺寸的設備，無數的電纜從裝備上蔓延到各個方向，技術人員不時在此處彼處敲打修補。

　　期待轉折

　　W7-X看起來有點兒像電影《星球大戰》中走私貨船船長漢·索羅的「千年隼」號，在經過和帝國艦隊的一次戰役之後，正處於修理之中。在其內部是重達506噸的磁線圈，這些線圈就像被一個生氣的巨人揉亂了一樣，稀奇古怪地纏繞在一起。

　　儘管仿星器從原理上說和託卡馬克是一樣的，但它們卻一直是聚變能研究領域的「黑馬」。託卡馬克更有利於密封等離子體，並且可持續保持高溫，使內部反應不斷發生。但是這種類似西班牙藝術家薩爾瓦多·達利風格的裝置卻具有許多獨特之處，可以讓其擁有更好的商業核聚變能發電前景：一旦被啟動，這些仿星器就會自然而然地進入穩定狀態，它們不會產生困擾託卡馬克裝置的讓金屬變彎的磁幹擾。然而不利的是，它們的建造難度異常大，因此耗用的金錢也會難以預計，並且比其他核聚變項目的建成時間更加延後。「沒有人想像過，建成它意味著什麼。」該項目德國負責人Thomas Klinger說。

　　W7-X標誌著一個轉折點。這臺機器坐落於由Klinger擔任所長的馬普學會等離子體物理研究所（IPP），並且正等待在11月被正式批准運行。這是世界上首臺由超級計算機設計的大型仿星器新產品，計算機已經對其絕大部分保護外殼可能遇到的問題進行了運算。如果W7-X的表現可以與一個同樣規模的託卡馬克裝置相媲美，甚至超過後者，那麼聚變科學家可能就要重新考量該領域未來的研究進程。「託卡馬克研究者們在翹首以盼即將發生的事情，全世界都對W7-X充滿期待。」美國麥迪遜市威斯康星大學工程學家David Anderson說。

　　獨特優勢

　　W7-X是全球首個大規模仿星器，它的組裝已經花費了110萬個小時的工作量。它採用了迄今為止設計最為複雜的工程模型之一，必須要經受得住劇烈的溫差和巨大的壓力。

　　仿星器面臨著所有核聚變裝置存在的挑戰：它們必須加熱及承載超過1億攝氏度的高溫氣體，這是太陽核心溫度的7倍。如此的高溫會從原子上剝離出電子，留下電子和離子構成的等離子體。它可以使離子以足夠快的速度運轉，以克服其相互排斥及熔化，但它同樣使等離子氣體不可能容納在常規容器中。

　　取而代之的是，這些等離子體會被約束在一個「磁籠」中。一根攜帶電流的電線會纏繞在一個管道上，從而在管道中心產生磁場。該磁場會對等離子體產生引力，使之遠離磁籠的外壁。為了阻止粒子在末端逃逸，很多核聚變早期研究者曾把管道彎曲成像甜甜圈一樣的環形或是圓環，形成閉環系統。

　　但是圓環形狀又產生了另一個問題：因為靠近「甜甜圈」核心圓環的線圈比外圍圓環的線圈更為密集，因此其內環的磁場比外環的磁場更強。這種不平衡性使得粒子脫離軌跡，撞上磁場壁，其解決方法是對經過強磁場和弱磁場的粒子增加一處轉折，這樣強弱磁場的影響就可以相互抵消。

　　仿星器是在裝置外圍增加轉折。首個仿星器由普林斯頓大學天文物理學家Lyman Spitzer在1951年建造，該裝置通過把管道摺疊成數字「8」的形狀來實現這一目的。但是他建立的實驗室——新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）在後來的仿星器裝置中轉化了一種更加簡便的方法：就像一根拐杖糖那樣，在傳統的環形管上纏繞更多線圈，從而在內部創建一個扭曲的磁場。

　　在託卡馬克裝置中，上世紀50年代蘇聯發明的一種設計則是從內部進行轉折。該裝置利用的設計就像一個電力變壓器，可以誘導電子和粒子像電流一樣圍著管道運轉。這樣電流可以產生垂直的循環磁場，當將其置於運行中的另一個管道時，就會產生所需要的螺旋磁力線。這兩種方式都可以發揮作用，但是託卡馬克裝置可以更好地控制等離子體。

　　在部分程度上，這是因為託卡馬克的對稱性給粒子提供了更加順暢的通道。而在仿星器中，Anderson說，「粒子會碰到很多漣漪和扭動」，這會讓很多粒子在此過程中丟失。因此，從上世紀70年代開始，大多數核聚變研究都聚焦在託卡馬克裝置上，比如位於法國的國際熱核反應堆（ITER）項目。這是一項投資了160億歐元的託卡馬克裝置國際合作項目，它可以產生遠高於所消耗的能量，並為未來商業化反應堆鋪平道路。

　　但是託卡馬克裝置也有嚴重的缺點。變壓器僅能以短脈衝方式驅動等離子體中的電流，這並不適用於商業化的核聚變反應堆。同時，等離子體中的電流還會動搖不定，難以預測，導致「擾亂」：突然間失去等離子體約束，釋放出強大的磁場，這種磁場足以毀壞反應裝置。這些問題甚至困擾著嶄露頭角的類球形託卡馬克裝置的設計。

　　然而，仿星器可以免除這種困擾。它們的磁場完全來自外部的線圈，因此不需要被動脈衝，等離子體電流也就不會產生幹擾。這兩個優勢已經讓一些團隊開始研究相關概念。

　　翹首以盼

　　目前在役的最大仿星器是位於日本鳥島的大型螺旋裝置項目（LHD），該裝置從1998年起開始服役。如果Spitzer看到這個裝置，也會認出它的設計模式——在兩個螺線圈的經典模型基礎上進行了一些改變的仿星器，它可以扭轉等離子體和其他線圈，從而增加磁約束強度。這個LHD裝置保持著當前在役仿星器的幾乎所有主要紀錄，表現出良好而穩定的操作狀態，它接近同樣規模的託卡馬克裝置的運行狀態。

　　首次嘗試部分優化仿星器的項目則是文德爾施泰因7-AS（W7-AS），該項目位於慕尼黑附近加興市的IPP，於1988~2002年運行。它打破了所有同規模仿星器創下的紀錄。而威斯康星州的研究人員在1993年開始建造第一個全優化的仿星器，其研發的裝置就是螺旋對稱實驗（HSX）裝置，該裝置在1999年開始運行。「W7-AS和HSX表明了這種想法的可行性。」物理學家、PPPL仿星器負責人David Gates說。

　　這一成功增添了美國研究者試圖建造更大裝置的信心。2004年，PPPL開始利用和IPP不同的優化策略，建造國家級緊湊仿星器實驗（NCSX）裝置。但是該項目在組裝方面要求達到毫米級的精度，這使得項目經費不斷攀升，工程日期不斷延後。2008年，儘管該項目已經購置完80%的主要部件，但美國能源部依然終止了該項目。「我們竭盡全力作出的成本估算和工程進度最終付諸東流。」PPPL研究人員、NCSX負責人George Hutch Neilson說。

　　視線再次回到德國，W7-X相關工程正在進行。德國核能源管理部門有望在近期批准該工程繼續推進。真正的檢驗還要等到W7-X充滿等離子體的時刻，屆時研究人員最終將可以看到它如何持續維持熱量。「全世界都在等待著，看我們是否能夠達到約束時間以及控制其進行一次長時間脈衝。」PPPL研究員Gates說。如果該項目可以成功，那將意味著核聚變研究進程中的一次巨大突破。（紅楓）