■本報見習記者 李晨陽
全球最大的仿星器——直徑16米的德國「螺旋石7-X（W7-X）」已經建設完成，預計將在本月投入運行。「全世界都在拭目以待。」美國普林斯頓等離子體物理實驗所研究員蓋茨如此形容這臺龐然大物的影響力。
中國科學技術大學教授劉萬東在接受《中國科學報》記者採訪時表示，尺寸是W7-X的最大亮點。「要達到核聚變反應堆所需的規模，大型化是必然發展趨勢。」他說，「從這個角度來講，這臺大型仿星器可以稱得上是一個裡程碑。」
既然大型仿星器如此重要，中國在這一領域的研究至今卻仍屬空白，這是為什麼呢？這要從可控核聚變裝置的意義和研究歷程說起。
受控核聚變的美麗夢想
仿星器和經典的「託卡馬克」一樣，都是磁約束受控核聚變裝置。它們能把等離子態的氫同位素——氘和氚約束起來，並加熱至1億攝氏度左右發生聚變，從而獲得巨大的能量輸出。這與太陽通過內部熱核反應持續產生光與熱的過程相似，因此人們浪漫地把核聚變裝置喻為「人造恆星」。
「從大的時空尺度來看，核能是人類的終極能源。」劉萬東說。但是，目前運行中的核電站都是根據核裂變原理建造的。用於進行裂變反應的原料，如鈾、鈽等，均為放射性重金屬，儲量有限，還會產生難以處置的放射性廢料。相比之下，聚變反應就有很多優勢。首先，作為燃料的氘和氚不會產生大的放射性汙染；其次，自然界中氘的儲量很大，氚雖稀有，卻很容易大量製備。因此，實現受控核聚變產能，是無數科學家的奮鬥目標。
但是劉萬東指出，人造核聚變裝置面臨著很多挑戰。例如，不僅要提高反應裝置的穩定性，還應儘可能地延長粒子約束時間。
所謂「約束」，是指採取一定手段讓粒子在裝置中停留足夠長的時間，因為反應氣體在高溫下會變成動能很高的等離子體，非常活躍地彼此碰撞，漫無方向地狂飆飛奔。而磁場，就是常用的約束手段之一。
仿星器和託卡馬克各有千秋
據中科院等離子體物理研究所研究員萬寶年介紹，自上世紀60年代起，人們先後提出過許多種磁約束核聚變反應的途徑，但很多都被逐步淘汰了。目前，研究最深入的途徑就是託卡馬克和仿星器。
萬寶年解釋，這兩種裝置的工作原理差異很大。託卡馬克呈簡單圓環狀，主要靠強大的等離子電流產生磁場，與外加磁場疊加，從而產生能約束等離子體的螺旋磁力線。相比之下，仿星器的構造則要複雜得多，看起來像一個被扭過的發圈，因為它正是依靠外加磁場本身的扭曲來產生螺旋磁力線的。
拿仿星器和託卡馬克相比，二者各擅勝場，卻又有著各自的缺點。託卡馬克在等離子約束性能方面有一定優勢，但是由於等離子電流的不穩定性，容易發生「大破裂」故障，進而對反應裝置造成重大損壞。因此，科學家對託卡馬克的研究，很大一部分精力就是用在了避免「大破裂」上。
而仿星器由於沒有等離子電流，所以根本不存在大破裂的風險，運行起來也就更加穩定。
但是，仿星器難以推廣的最大原因在於其工程難度和資金投入都大得難以估量。正因如此，當前世界上成功建造大型仿星器的國家只有兩個——日本和德國。就連美國，也曾因經費攀升、工程延後等原因，在大型仿星器項目前鎩羽而歸。
仿星器研究不只為了填補空白
萬寶年告訴《中國科學報》記者，目前我國對核聚變反應器的研究主要集中在託卡馬克上，此外還有部分科研人員正在建造另一種裝置——反場箍縮。但對仿星器的研究，卻至今未被提上日程，這成了我國核聚變反應研究領域的一大空白。
仿星器在我國遇冷，有著多方面的原因。一來是歷史沿革。過去我國財力有限，而核聚變反應研究卻投資巨大。相比於同時進行多種途徑的研究，還是「集中力量辦大事」，深入研究一種途徑更為現實。經過權衡，我國的幾家研究機構不約而同地選擇了最為主流的託卡馬克途徑。二來，建造仿星器的成本太高、難度太大，這也是非常關鍵的制約因素。
浙江大學教授盛正卯卻認為，對我國而言，建造仿星器仍有重大意義。一方面，在人類真正實現核聚變能源之前，多渠道研究各種有獨特性能的、有潛力的方案很有必要；另一方面，勇於挑戰工藝要求很高的仿星器，能夠帶動高端製造工業的發展。這樣的工程一旦成功，我國在精密製造等方面就能前進一大步，或將有助於類似航空發動機等重大項目的突破。
「科學研究不能只關注當下的投入和短期的收益，還應當有長遠的眼光和迎難而上的勇氣。」盛正卯說。
《中國科學報》 (2015-11-18 第4版 綜合)