正在法國建造的國際聚變反應(yīng)堆——ITER將有10層樓高，重量是埃菲爾鐵塔的3倍，并且將花費(fèi)其7個(gè)國際合作伙伴超過180億美元。作為數(shù)十年設(shè)計(jì)的成果，ITER最早將在2027年產(chǎn)生聚變能。同時(shí)，在像ITER一樣的電廠將電送入電網(wǎng)前，還將有幾十年的時(shí)間?？梢源_信的是，一定有更加快速和成本更低的路線產(chǎn)生聚變能。
ITER托卡馬克裝置示意圖（來自網(wǎng)絡(luò)）
聚變能的狂熱者對于達(dá)到恒星般的溫度或?qū)崿F(xiàn)使氫原子核在一個(gè)產(chǎn)生能量的聯(lián)合體中聚集所需的壓力有著一系列計(jì)劃。一些是主流的，比如激光器，一些則是非正統(tǒng)的。不過，形似甜甜圈、被稱為托卡馬克的容器仍是占主導(dǎo)地位的聚變策略，并且是ITER的基石。托卡馬克裝置旨在利用磁場控制超高溫等離子體。然而，即使在托卡馬克中間，一種更加靈巧的替代方案也出現(xiàn)了：球形托卡馬克。
想象一下傳統(tǒng)托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(dǎo)者認(rèn)為，這種簡單的改變有可能打開同ITER前景相匹配的聚變發(fā)電廠之路，同時(shí)無須龐大的規(guī)模?！澳康氖亲屚锌R克更小、更快，并且成本更低，從而減少發(fā)電的最終成本?！痹谟①e頓卡拉姆聚變能研究中心領(lǐng)銜托卡馬克研究的Ian Chapman表示。
卡拉姆是將對這些魁梧的托卡馬克裝置開展大型測試的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)室之一。全球兩臺第一流的機(jī)器——位于美國普林斯頓大學(xué)等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的國家球形環(huán)測試（NSTX）和位于卡拉姆的兆安球形托卡馬克（MAST）正在升級中。它們將擁有更強(qiáng)大的磁體和更強(qiáng)有力的加熱系統(tǒng)。很快，它們將開始啟動，將氫加熱到非常接近產(chǎn)生聚變能所需的溫度。如果兩者進(jìn)展順利，下一個(gè)要建造的大型托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(gè)希望渺茫的賭注，即它會擁有一個(gè)所產(chǎn)生能量超過其消耗能量的球形托卡馬克反應(yīng)堆，并且在10年內(nèi)得以運(yùn)行。如果成功了，球形托卡馬克將改變聚變的未來遠(yuǎn)景。“這將令人興奮?！奔s克大學(xué)約克等離子體研究所所長Howard Wilson表示，球形托卡馬克是這個(gè)領(lǐng)域的“后起之秀”，但仍有一些重要問題需要弄個(gè)水落石出。
掌控等離子體
托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(zhì)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并且發(fā)生聚變，反應(yīng)堆必須達(dá)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，而后者能汽化所接觸到的任何物質(zhì)，因此它們必須被固定住足夠長的時(shí)間用于聚變，從而產(chǎn)生大量有用的能源。
托卡馬克裝置利用磁體嘗試實(shí)現(xiàn)這個(gè)看上去不可能的任務(wù)。磁體能固定并控制等離子體，因?yàn)樗怯蓭щ娏Ｗ訕?gòu)成的。一系列復(fù)雜的電磁體環(huán)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(gè)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(huán)繞線圈的同時(shí)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?jǐn)D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、扭動并且試圖逃逸。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(chǎn)生并且維持聚變所需的足夠熱量是另一項(xiàng)挑戰(zhàn)。等離子體在托卡馬克周圍激增時(shí)產(chǎn)生的摩擦?xí)峁┎糠譄崃?，但現(xiàn)代托卡馬克還發(fā)射微波和高能粒子。在盡可能快地提供熱量的過程中，熱量也會被耗盡，因?yàn)橥牧鞯入x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?！叭魏慰刂葡到y(tǒng)都將出現(xiàn)輕微的滲漏，并且將失去粒子。”Wilson表示。
對不同大小和結(jié)構(gòu)的托卡馬克進(jìn)行的研究總是指向相同的信息：為控制等離子體并使其保持高溫，托卡馬克裝置越大越好。在一個(gè)更大的體積內(nèi)，高溫粒子為了逃逸不得不穿越得更遠(yuǎn)。目前，最大的托卡馬克——位于卡拉姆的8米寬歐洲聯(lián)合環(huán)形加速器（JET）在1997年創(chuàng)造了聚變能量的紀(jì)錄，在數(shù)秒內(nèi)產(chǎn)生16兆瓦能量。對于大多數(shù)聚變研究者來說，ITER是合乎邏輯的下一個(gè)目標(biāo)。它有望成為第一臺實(shí)現(xiàn)能量增益的機(jī)器，即輸出的聚變能超過輸入的加熱能量。
球形托卡馬克興起
上世紀(jì)80年代，一個(gè)來自田納西州橡樹嶺國家實(shí)驗(yàn)室的團(tuán)隊(duì)研究了簡單的形狀改變?nèi)绾斡绊懲锌R克的表現(xiàn)。他們關(guān)注的是環(huán)徑比，即把整個(gè)托卡馬克的半徑和真空管的直徑相比。他們的計(jì)算表明，使環(huán)徑比變得很低從而將托卡馬克基本上變成中間有個(gè)狹小通道的球體，能有很多優(yōu)勢。
橡樹嶺的研究人員預(yù)測，在一個(gè)球形托卡馬克的中心洞附近， 粒子會“享受”到異乎尋常的穩(wěn)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里保持更長的時(shí)間，而不是像傳統(tǒng)托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形橫截面還有助于抑制湍流，從而改善能量控制力度。不過，這種設(shè)計(jì)有一個(gè)現(xiàn)實(shí)問題。球形托卡馬克狹窄的中心洞并未給需要安裝在那里的儀器留出足夠空間。1984年，來自橡樹嶺的Martin Peng提出一個(gè)完美的、節(jié)省空間的解決方法：將眾多垂直環(huán)形磁體用沿著反應(yīng)堆中心共享單一導(dǎo)體的C型線圈替代。
球形托卡馬克示意圖（來自網(wǎng)絡(luò)）
當(dāng)時(shí)，美國聚變研究資助非常缺乏，因此橡樹嶺無法建造球形機(jī)器測試Peng的設(shè)計(jì)。有些國外實(shí)驗(yàn)室則將一些設(shè)計(jì)用于其他目的的小型設(shè)備轉(zhuǎn)變成球形托卡馬克，而首個(gè)真正的樣機(jī)于1990年在卡拉姆實(shí)驗(yàn)室建造。這個(gè)被稱為小型低環(huán)徑比托卡馬克（START）的設(shè)備很快實(shí)現(xiàn)40%的環(huán)向比壓，這是任何傳統(tǒng)托卡馬克所能達(dá)到的3倍。它的穩(wěn)定性也超過傳統(tǒng)機(jī)器。其他實(shí)驗(yàn)室競相建造小型球形托卡馬克，一些甚至位于在聚變研究領(lǐng)域并不出名的國家，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(gè)問題是“我們能否建造一臺更大的機(jī)器并獲得相似的性能”。位于普林斯頓和卡拉姆兩地的機(jī)器正是為回答這個(gè)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(xiàn)證明，START取得的成績并非是一次性的：它們再一次實(shí)現(xiàn)約40%的環(huán)向比壓，同時(shí)不穩(wěn)定性減小，約束力更好。
目前，兩臺機(jī)器正邁向下一個(gè)階段：實(shí)現(xiàn)更高的加熱功率，使等離子體溫度更高、磁體更強(qiáng)有力，從而更好地約束等離子體?，F(xiàn)在，MAST還未被完整組裝起來?？盏恼婵展芸瓷先ハ褚粋€(gè)巨大的錫罐，上面裝飾著舷窗。價(jià)值3000萬歐元的新磁體、泵、電源和加熱系統(tǒng)正在準(zhǔn)備中。在普林斯頓大學(xué)，技術(shù)人員正在對耗資9400萬美元的NSTX磁體和中性束加熱系統(tǒng)的類似升級進(jìn)行收尾工作。像大多數(shù)實(shí)驗(yàn)室托卡馬克一樣，這兩臺機(jī)器并不是為了產(chǎn)生大量能量，只是學(xué)習(xí)如何在像聚變一樣的條件下控制并約束等離子體。
5年內(nèi)獲得聚變能增益
在未來的發(fā)電廠中，一種吸收中子的材料將捕獲高能中子，將其能量轉(zhuǎn)化為熱量，從而驅(qū)動蒸汽渦輪發(fā)動機(jī)發(fā)電。不過，20%的反應(yīng)能量會直接為等離子體加熱?，F(xiàn)代托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，并將其抽走。升級后的MAST擁有靈活的磁體系統(tǒng)，研究人員可以嘗試不同的偏濾器設(shè)計(jì)，從而尋找能解決熱量問題的最好方案。
同時(shí)，聚變研究者們很快將不得不建造反應(yīng)堆測試未來發(fā)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(shí)驗(yàn)裝置（CTF）的目標(biāo)之一。Chapman表示，建造CTF“是絕對有必要的”。不過，CTF的設(shè)計(jì)還沒有確定，但球形托卡馬克的支持者認(rèn)為，他們的設(shè)計(jì)為這種測試平臺提供了有效路徑，因?yàn)槠浣ㄔ旌瓦\(yùn)行都相對緊湊和廉價(jià)。
隨著ITER建設(shè)耗費(fèi)掉全球大多數(shù)聚變研究預(yù)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(nèi)建造一個(gè)小型發(fā)電球形托卡馬克。2009年，一群來自卡拉姆的研究人員創(chuàng)建了一家名為托卡馬克解決方案的公司，旨在建造作為中子源的小型球形托卡馬克用于研究。隨后，該公司的一家供應(yīng)商向其展示了一種由高溫超導(dǎo)體釔鋇銅氧制成的多層導(dǎo)電帶材，有望實(shí)現(xiàn)性能的極大提升。
超導(dǎo)體沒有電阻，因此由其制成的電磁鐵能產(chǎn)生比傳統(tǒng)銅磁體更強(qiáng)有力的磁場。ITER將采用低溫超導(dǎo)體，但這在大規(guī)模冷卻上花費(fèi)頗高。高溫材料用起來成本較低，但被認(rèn)為在承受托卡馬克附近強(qiáng)大的磁場時(shí)不夠穩(wěn)定，直至新的超導(dǎo)帶材出現(xiàn)。為此，公司改變了方向，被重新命名為“托克馬克能量”，并且正在測試不超過一人高的第一代超導(dǎo)球形托卡馬克。
明年，公司將組裝一臺稍大一些的機(jī)器，其產(chǎn)生的磁場將是NSTX升級后的兩倍。如果獲得投資者的許可，下一步將建造一臺比NSTX稍小但產(chǎn)生的磁場是后者3倍的機(jī)器。公司CEO David Kingham表示：“我們想在5年內(nèi)獲得聚變能增益。這就是我們面對的挑戰(zhàn)?！?/p>
Wilson認(rèn)為，這是一種高風(fēng)險(xiǎn)的方法?！八麄兙拖裨谫I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(xùn)。它將加速聚變項(xiàng)目的進(jìn)行?！?/p>
而這種精神，對于試圖重塑聚變未來的每個(gè)人來說，都再熟悉不過了。
作者：宗華
來源：科學(xué)網(wǎng)
文內(nèi)所用圖片為編者附上
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