美国能源部普林斯顿等离子体实验室(简称PPPL)的物理学家们近日在期刊《核聚变》上发表了一篇论文，公布了他们研发新一代核聚变设备的计划。PPPL实验室前不久刚刚完成“国家球形托卡马克实验升级”，耗资约9400万美元(约合6.27亿人民币)，于去年开始运作。
据国外媒体报道，美国政府的科学家们计划创造一颗“罐子中的恒星”，在地球上复制出太阳和其它恒星通过核聚变产生能量的方式。如果成功的话，人类将会获得取之不尽、用之不竭的能量，再也不需要依赖化石燃料来产生电力了。
新一代核聚变设备
核聚变需要把氢原子置于高温和高压之下，直到它们聚变成为氦原子。
美国能源部普林斯顿等离子体实验室(简称PPPL)的物理学家们近日在期刊《核聚变》(Nuclear Fusion)上发表了一篇论文，公布了他们研发新一代核聚变设备的计划。“我们希望能为未来的发电厂提供新的发电途径。”该研究的主要作者乔纳森·梅纳德说道。他同时也是PPPL实验室前不久刚刚完成的“国家球形托卡马克实验升级”(简称NSTX-U)项目的项目主管。此次升级耗资约9400万美元(约合6.27亿人民币)，由美国能源部科学办公室出资赞助，于去年开始运作。
PPPL实验室和英格兰的卡拉姆都已经拥有了球形托卡马克装置。这些托卡马克(或者说核聚变反应堆)或能为我们进行核聚变的下一步研究提供思路，帮助科学家设计出新型核聚变装置，作为商用核聚变发电厂的试点工厂进行发电。
研究人员称，PPPL实验室的托卡马克装置在升级之后，能量更加强大，同时卡拉姆的兆安球形托卡马克(简称MAST)设备升级也即将完成，这都将使我们朝着商用核聚变发电厂的建成更进一步。PPPL实验室主管斯图尔特·普拉格指出，NSTX和MAST装置“将进一步推动物理学的发展，增进我们对高温等离子体的了解，并为核聚变的发展打下科学基础。”。
物理学上的挑战
然而，这些装置也面临着许多物理学上的挑战。例如，当超高温等离子体粒子暴露在强大电磁场中时，会出现剧烈的波动，这些装置必须对其加以控制。此外，它们还必须仔细地控制等离子体粒子与四周围墙间的关系，防止等离子体变得密度过大、或者受到了污染，从而阻碍核聚变的进行。PPPL实验室、卡拉姆实验室和其它实验室的研究人员都在努力寻找解决这些挑战的方法，以便更好地研发新一代核聚变装置。
虽然托卡马克的设计很适合用来容纳等离子体，但一旦电流中断、或遇到了磁干扰，就会带来一些安全问题。
球形托卡马克的形状如同带核的苹果。而传统的托卡马克则更像甜甜圈，比球形托卡马克要矮胖一些。球形托卡马克可以在相对较弱、成本较低的磁场中产生高压等离子体(超高温的带电气体，被视作物质的第四种状态，是核聚变反应的关键条件)。这种特殊的能力将帮助科学家开展新一代核聚变实验，对国际热核聚变实验堆(简称ITER)加以补充。ITER位于法国，由包括美国在内的35个国家共同修建，用于研究核聚变的可能性。ITER是一台甜甜圈状的托卡马克。等修建完成之后，它将是全球体积最大的托卡马克。
我们之所以要研发球形托卡马克，主要是想减小利用托卡马克进行核聚变的成本。”英国原子能总署最新任命的主管、卡拉姆科学中心磁约束聚变研究计划的带头人伊安·查普曼说道。托卡马克中心孔洞的大小是问题的关键。在球形托卡马克中，这个孔的大小只有传统托卡马克的一半，因此可以利用相对更弱的磁场来控制等离子体。孔洞缩小之后，还可以与用于产生氚(氢的一种同位素)的系统兼容。在下一代托卡马克中，氚将与氘(氢的另一种同位素)产生核聚变反应。
在试点发电厂中，研究人员希望能用超导磁体来代替核聚变装置中的铜磁体。超导磁体的效率比铜磁体高得多，但需要用更厚的防护罩来保护。不过，高温超导体近期取得了一定进展，或能大大缩小超导磁体的厚度，从而减少所占空间，也能大大降低机器的体积和造价。
反应装置的中心部分被放置归位。
反应装置的中心部分被放置归位。
研究人员还在论文中描述了一种名叫“中心束注入装置”的设备，不需要利用托卡马克中的高温线圈，就能够启动和保持等离子流。中心束注入装置会把高速运动的中性原子射进等离子体中，并对约束和控制高温等离子体的磁场加以优化。
全球最大的“仿星器”核聚变反应器
目前的实验利用的都是形如甜甜圈的反应器，如世界上最大的“仿星器”装置。该反应器名为“Wendelstein 7-X”(简称W7-X)。它可以耐得住等离子体的超高温考验，每次时间可超过30分钟。
目前的实验利用的都是形如甜甜圈的反应器，如世界上最大的“仿星器”装置。该反应器名为“Wendelstein 7-X”(简称W7-X)。它可以耐得住等离子体的超高温考验，每次时间可超过30分钟。
今年早些时候，科学家成功启动了全球最大的“仿星器”核聚变反应器(Stellarator)。该反应器名叫“Wendelstein 7-X”(简称W7-X)。它可以耐得住等离子体的超高温考验，每次时间可超过30分钟。核聚变反应堆(如W7-X)利用的原料是两种不同的氢原子——氘和氚，还需要把气体注入安全壳中。接下来，科学家会为其提供能量，把电子从原子中去除，形成所谓的离子等离子体，释放出巨大的能量。上周，该反应器在十分之一秒的时间内，制造出了一种特殊的超高温气体。该反应器在产生氦等离子体时，温度接近1百万摄氏度。
在仿星器中，等离子体由外部磁线圈进行约束。这些磁线圈会在真空室内部周围产生弯曲的磁场线，从而牢牢地控制住其中的等离子体。
1951年，在普林斯顿大学工作的莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer)首次提出了仿星器的概念。当时受到材料的限制，人们认为该设计太过复杂。而如今，在超级计算机和新型材料的帮助下，研究人员终于把斯皮策的设想变成了现实。
在托卡马克中，研究人员用两组磁铁来约束等离子体。一组为外部装置，围绕着真空室，另一组则是内部变压器，用于驱动等离子体中的电流流动。这样一 来，中心的磁场就会强于外部，因此托卡马克中的等离子体会朝着外壁移动，一旦撞上便会破裂。而在仿星器中，等离子体由外部磁线圈进行约束。这些磁线圈会在 真空室内部周围产生弯曲的磁场线，从而牢牢地控制住其中的等离子体，不让它们接触到容器四壁。
图为该系统初次测试时的图像，显示了荧光分支闭合的过程，相互嵌套的磁场表面也得以展现。
该装置的装配时间长达110万小时，利用了世界上最复杂的机械模型。去年六月，人们对W7-X核聚变装置中的磁场进行了测试，远远早于原本预计的时间。测试结果显示，用于约束等离子体的“磁场笼”完全符合科学家的预料。
科学家希望，如果它的工作时间能进一步延长的话，最终能够为我们带来无限清洁、廉价的能源供应。“我们对此非常满意。” W7-X反应堆项目负责人汉斯·史蒂芬·波什博士在实验的第一天说道。“一切都按照计划进行。”
“我们都知道全球发展的趋势是什么，新兴经济体和新兴国家都对能源有着迫切的需求。”联邦教育和研究部部长约翰娜·万卡指出，“因此我们需要通过研究，拓宽能源获取渠道。渠道之一就是核聚变反应。W7-X仿星器是至关重要的一步，能让我们更好地对核聚变进行评估。”
在下一个任务中，科学家将设法延长等离子体放电的时间，并找出利用微波制造和加热氦等离子体的最好方法。研究人员称，该装置或能帮助我们将核聚变变为现实。让反应器长时间保存超高温等离子体一直是科学家追求的目标，一旦成功，科学家便能为我们提供取之不尽、用之不竭的能量。
