「蘋果」能否重塑聚變未來

原標題：「蘋果」能否重塑聚變未來

　　科學家嘗試建造球形託卡馬克獲得能量增益

　　在一項耗資3000萬歐元的升級改造中，工程師將用於改進的真空管抬起。圖片來源：CCFE

　　正在法國建造的國際聚變反應堆——ITER將有10層樓高，重量是艾菲爾鐵塔的3倍，並且將花費其7個國際合作夥伴超過180億美元。作為數十年設計的成果，ITER最早將在2027年產生聚變能。同時，在像ITER一樣的電廠將電送入電網前，還將有幾十年的時間。可以確信的是，一定有更加快速和成本更低的路線產生聚變能。

　　聚變能的狂熱者對於達到恆星般的溫度或實現使氫原子核在一個產生能量的聯合體中聚集所需的壓力有著一系列計劃。一些是主流的，比如雷射器，一些則是非正統的。不過，形似甜甜圈、被稱為託卡馬克的容器仍是佔主導地位的聚變策略，並且是ITER的基石。託卡馬克裝置旨在利用磁場控制超高溫等離子體。然而，即使在託卡馬克中間，一種更加靈巧的替代方案也出現了：球形託卡馬克。

　　想像一下傳統託卡馬克的甜甜圈形狀鼓起來，變成一種更像去核蘋果的形狀。該想法的倡導者認為，這種簡單的改變有可能打開同ITER前景相匹配的聚變發電廠之路，同時無須龐大的規模。「目的是讓託卡馬克更小、更快，並且成本更低，從而減少發電的最終成本。」在英國阿賓頓卡拉姆聚變能研究中心領銜託卡馬克研究的Ian Chapman表示。

　　卡拉姆是將對這些魁梧的託卡馬克裝置開展大型測試的兩個實驗室之一。全球兩臺第一流的機器——位於美國普林斯頓大學等離子體物理實驗室的國家球形環測試（NSTX）和位於卡拉姆的兆安球形託卡馬克（MAST）正在升級中。它們將擁有更強大的磁體和更強有力的加熱系統。很快，它們將開始啟動，將氫加熱到非常接近產生聚變能所需的溫度。如果兩者進展順利，下一個要建造的大型託卡馬克將有可能是球形的。

　　從卡拉姆分拆出來的一家小公司甚至正在下一個希望渺茫的賭注，即它會擁有一個所產生能量超過其消耗能量的球形託卡馬克反應堆，並且在10年內得以運行。如果成功了，球形託卡馬克將改變聚變的未來遠景。「這將令人興奮。」約克大學約克等離子體研究所所長Howard Wilson表示，球形託卡馬克是這個領域的「後起之秀」，但仍有一些重要問題需要弄個水落石出。

　　掌控等離子體

　　託卡馬克以一種巧妙的方式控制人類曾捕捉到的最「放蕩不羈」的物質之一，即利用足夠熱的等離子體維持聚變。為使原子核相互撞擊並且發生聚變，反應堆必須達到太陽核心溫度的10倍，約1.5億攝氏度。得到的是稀薄的電離氣體，而後者能汽化所接觸到的任何物質，因此它們必須被固定住足夠長的時間用於聚變，從而產生大量有用的能源。

　　託卡馬克裝置利用磁體嘗試實現這個看上去不可能的任務。磁體能固定並控制等離子體，因為它是由帶電粒子構成的。一系列複雜的電磁體環繞形似甜甜圈的容器，其中一些是水平方向上的，一些是垂直的。一個被稱為螺線管、緊緊纏繞在一起的電線圈向下穿過「甜甜圈」的洞。這些組合起來的磁場將等離子體擠向管子中心，使其在環繞線圈的同時緩慢地作螺旋式扭動。

　　不過，等離子體很難被掌控。將其困住就像試圖用手擠壓氣球：它總是在你的手指間鼓起。等離子體變得越熱，就會有更多受磁場約束的氣體膨脹、扭動並且試圖逃逸。過去60年的大部分聚變研究都聚焦在如何控制等離子體上。

　　產生並且維持聚變所需的足夠熱量是另一項挑戰。等離子體在託卡馬克周圍激增時產生的摩擦會提供部分熱量，但現代託卡馬克還發射微波和高能粒子。在儘可能快地提供熱量的過程中，熱量也會被耗盡，因為湍流等離子體中最熱、移動最快的粒子會從高溫核心以旋渦狀逃向較冷的邊緣。「任何控制系統都將出現輕微的滲漏，並且將失去粒子。」Wilson表示。

　　對不同大小和結構的託卡馬克進行的研究總是指向相同的信息：為控制等離子體並使其保持高溫，託卡馬克裝置越大越好。在一個更大的體積內，高溫粒子為了逃逸不得不穿越得更遠。目前，最大的託卡馬克——位於卡拉姆的8米寬歐洲聯合環形加速器（JET）在1997年創造了聚變能量的紀錄，在數秒內產生16兆瓦能量。對於大多數聚變研究者來說，ITER是合乎邏輯的下一個目標。它有望成為第一臺實現能量增益的機器，即輸出的聚變能超過輸入的加熱能量。

　　球形託卡馬克興起

　　上世紀80年代，一個來自田納西州橡樹嶺國家實驗室的團隊研究了簡單的形狀改變如何影響託卡馬克的表現。他們關注的是環徑比，即把整個託卡馬克的半徑和真空管的直徑相比。他們的計算表明，使環徑比變得很低從而將託卡馬克基本上變成中間有個狹小通道的球體，能有很多優勢。

　　橡樹嶺的研究人員預測，在一個球形託卡馬克的中心洞附近， 粒子會「享受」到異乎尋常的穩定性。磁場線在中心柱附近緊緊纏繞在一起，使粒子在回到外表面前能在那裡保持更長的時間，而不是像傳統託卡馬克裝置中磁場線在管子附近懶洋洋地作螺旋式移動。等離子體的D形橫截面還有助於抑制湍流，從而改善能量控制力度。不過，這種設計有一個現實問題。球形託卡馬克狹窄的中心洞並未給需要安裝在那裡的儀器留出足夠空間。1984年，來自橡樹嶺的Martin Peng提出一個完美的、節省空間的解決方法：將眾多垂直環形磁體用沿著反應堆中心共享單一導體的C型線圈替代。

　　當時，美國聚變研究資助非常缺乏，因此橡樹嶺無法建造球形機器測試Peng的設計。有些國外實驗室則將一些設計用於其他目的的小型設備轉變成球形託卡馬克，而首個真正的樣機於1990年在卡拉姆實驗室建造。這個被稱為小型低環徑比託卡馬克（START）的設備很快實現40%的環向比壓，這是任何傳統託卡馬克所能達到的3倍。它的穩定性也超過傳統機器。其他實驗室競相建造小型球形託卡馬克，一些甚至位於在聚變研究領域並不出名的國家，比如澳大利亞、巴西、埃及、哈薩克斯坦、巴基斯坦和土耳其。

　　Chapman表示，下一個問題是「我們能否建造一臺更大的機器並獲得相似的性能」。位於普林斯頓和卡拉姆兩地的機器正是為回答這個問題而建造。NSTX和MAST都在1999年建成，兩者均能約束3米左右的等離子體，這約是START的3倍但只有JET的三分之一。兩者的表現證明，START取得的成績並非是一次性的：它們再一次實現約40%的環向比壓，同時不穩定性減小，約束力更好。

　　目前，兩臺機器正邁向下一個階段：實現更高的加熱功率，使等離子體溫度更高、磁體更強有力，從而更好地約束等離子體。現在，MAST還未被完整組裝起來。空的真空管看上去像一個巨大的錫罐，上面裝飾著舷窗。價值3000萬歐元的新磁體、泵、電源和加熱系統正在準備中。在普林斯頓大學，技術人員正在對耗資9400萬美元的NSTX磁體和中性束加熱系統的類似升級進行收尾工作。像大多數實驗室託卡馬克一樣，這兩臺機器並不是為了產生大量能量，只是學習如何在像聚變一樣的條件下控制並約束等離子體。

　　5年內獲得聚變能增益

　　在未來的發電廠中，一種吸收中子的材料將捕獲高能中子，將其能量轉化為熱量，從而驅動蒸汽渦輪發動機發電。不過，20%的反應能量會直接為等離子體加熱。現代託卡馬克通過將磁場變成排氣管狀去除熱量。這種偏濾器能吸收一些最外層的等離子體，並將其抽走。升級後的MAST擁有靈活的磁體系統，研究人員可以嘗試不同的偏濾器設計，從而尋找能解決熱量問題的最好方案。

　　同時，聚變研究者們很快將不得不建造反應堆測試未來發電廠的組件能否承受高能中子多年的「轟炸」。這正是在歐洲被稱為部件實驗裝置（CTF）的目標之一。Chapman表示，建造CTF「是絕對有必要的」。不過，CTF的設計還沒有確定，但球形託卡馬克的支持者認為，他們的設計為這種測試平臺提供了有效路徑，因為其建造和運行都相對緊湊和廉價。

　　隨著ITER建設耗費掉全球大多數聚變研究預算，上述前景將不會很快得到測試。不過，一家公司希望從零開始，在10年內建造一個小型發電球形託卡馬克。2009年，一群來自卡拉姆的研究人員創建了一家名為託卡馬克解決方案的公司，旨在建造作為中子源的小型球形託卡馬克用於研究。隨後，該公司的一家供應商向其展示了一種由高溫超導體釔鋇銅氧製成的多層導電帶材，有望實現性能的極大提升。

　　超導體沒有電阻，因此由其製成的電磁鐵能產生比傳統銅磁體更強有力的磁場。ITER將採用低溫超導體，但這在大規模冷卻上花費頗高。高溫材料用起來成本較低，但被認為在承受託卡馬克附近強大的磁場時不夠穩定，直至新的超導帶材出現。為此，公司改變了方向，被重新命名為「託克馬克能量」，並且正在測試不超過一人高的第一代超導球形託卡馬克。

　　明年，公司將組裝一臺稍大一些的機器，其產生的磁場將是NSTX升級後的兩倍。如果獲得投資者的許可，下一步將建造一臺比NSTX稍小但產生的磁場是後者3倍的機器。公司CEO David Kingham表示：「我們想在5年內獲得聚變能增益。這就是我們面對的挑戰。」

　　Wilson認為，這是一種高風險的方法。「他們就像在買彩票。如果贏了，那很了不起。如果輸了，公司有可能會消失。不過，即使沒有成功，我們也將從中吸取教訓。它將加速聚變項目的進行。」

　　而這種精神，對於試圖重塑聚變未來的每個人來說，都再熟悉不過了。（宗華）