核聚變離我們還有多遠？

隨著科技的日益發展，人類對能源資源的需求越來越大，雖然化石能源（主要包含煤炭、石油和天然氣）現在依然是全球消耗的最主要能源。但是，且不說化石能源的使用對周圍環境的污染，人類的不斷開採也終將會導致化石能源的枯竭。因此，開發清潔的新能源是今後發展的方向，像太陽能、風能及生物質能這些新能源已經漸漸融入我們的生活中，實際上，即使聽起來可能有點不太真，核聚變能確實也是一類新能源。

在零排放的前提下，核聚變可以為我們提供大量的清潔能源，也算是接近無限量的燃料。如果我們能夠很好地開發和利用核聚變能，那麼我們目前的能源結構可能會發生巨大的變化。當然，所有的一切美好想法都是建立在核聚變能能為我們所用的基礎上，為此，世界各地的研究人員都在這個研究上花費了大量的精力和財力，目前已投入了數十億美元的科研經費。

去年二月份，德國於東北部沿海城市格賴夫斯瓦爾德（Greifswald）新建的核聚變裝置文德爾施泰因7-X仿星器（ Wendelstein 7-X）正式開始啟用，為核聚變能的研究翻開了新篇章。

這是一個實驗性的聚變反應堆，項目經費高達10億歐元，主要用來測試各種設計的反應堆。

預計在2021年前後，這個聚變反應堆的運行時間能持續三十分鐘左右，這也是目前世界上所有的聚變反應堆中最長的運行時間，在展示未來的聚變電廠的一些基本特徵——連續操作中起著很重要的作用。

但是 Wendelstein 7-X並不是唯一一個高大上的聚變反應堆，在法國南部，ITER（國際熱核聚變實驗堆）項目正在建造中，是目前全球規模最大、影響最深遠的國際科研合作項目之一，這個ITER也屬於實驗性的聚變反應堆，但採用的是一種不同於 Wendelstein 7-X仿星器的設計，稱為托卡馬克（tokamak）裝置，耗資二百億美元。

然而，儘管Wendelstein 7-X和ITER採用的設計不同，但是兩者優缺互補。只要其中一個有所創新和突破，都有可能發展成為最終的可日常供電的核聚變發電廠。

路徑扭曲

類比於太陽內部的聚變反應，兩個輕原子，如氫原子或者氦原子，聚合在一起形成新的原子，並釋放出巨大的能量。我們或許可以通過相同的方法得到想要的聚變能量。

由聚變反應產生的原子的質量最終略低於原來的兩個原子的質量之和，根據愛因斯坦的質能方程E = mc2，我們可以知道，減少的質量最終轉化為能量，也就是常說的聚變能量。

不過研究的重點在於如何簡化兩個原子之間的聚變反應，這也是一大難點，目前實現聚變反應需要將反應堆加熱到數百萬攝氏度。

但是，這麼高的反應溫度並不是一般容器能夠承受的，正常的反應原料的性質也會發生一定的變化。在過高溫度下，聚變反應原料會變成熱電離氣體，也稱為等離子體。若置於適當大小的磁場中，反應原料便不會與反應堆的內部接觸。

Wendelstein 7-X的仿星器設計尤為有趣，主要包括一個嵌入在磁瓶中的真空室，而該磁瓶是由七十匝超導磁體線圈組成的系統產生的，其產生的強大磁場足以使熱等離子體不與反應堆的內部接觸。

仿星器和托卡馬克都屬於環形磁約束裝置，用來研究各種聚變反應。

這些實驗其實都是通過一個強有力的環形磁場形成的磁瓶來限制等離子體的行為。

然而，為了使圓環形磁瓶對等離子體有良好的封閉約束性，磁場必須要有使運動粒子運動路徑彎曲的能力。在托卡馬克裝置的ITER反應堆中，等離子體中的大電流可以用來完成這個扭曲粒子的運動路徑。

但是，這種大電流可能會導致整個系統的不穩定性，即破壞等離子體。

如果等離子體遭到破壞，我們需要向反應堆中充入其他氣體給其降溫，防止等離子體破壞實驗甚至一些危險的事情發生。

不同地，在仿星器中，這種扭曲路徑主要是通過扭曲整個機器本身實現的。相比之下，沒有大型環形電流可以使等離子體更穩定。

很明顯，研究成本主要來自於勵磁線圈和對運動粒子的限制，通常為了降低成本，勵磁線圈的設計並沒有理想中的那麼複雜，對運動粒子的限制設計也是簡化的，這意味著要想將等離子體包含在磁瓶中並不是那麼容易的。

共同之處

雖然Wendelstein 7-X和ITER使用的方法不同，但是大部分底層技術還是相同的。

第一，他們都是環形超導機器；其次，他們的加熱方式也都是使用外部加熱系統，如通過一定頻率的無線電或者向反應堆里注入中性束來加熱等離子體。同時，大部分等離子體診斷技術也有很多共同之處。

在發電廠中，重氫原子——氘和氚（氫的同位素）以及一個高能中子聚合形成氦原子。

當然，這個等離子體中也含有氦原子，而具有電中性的中子主要分布在等離子體中的空白區域。當外界加熱到一定溫度時，這便可以驅動汽輪機發電。

根據聚變反應的共同特徵，我們顯然知道，只有開發能夠承受高溫和由聚變反應產生的快速中子的材料，聚變能量才能為我們所用。

且不論設計方式，聚變反應堆的第一層內壁必須能夠抵禦高能粒子在其壽命中的不斷撞擊。

在這個階段，無論是ITER使用的托卡馬克裝置，還是Wendelstein 7-X使用的仿星器，現在討論其是否更適合商業核聚變發電廠都未免有點言之過早。

但無論怎樣，著手研究Wendelstein 7-X都不會是一個錯誤的做法。這不僅有助於分辨出更加適合採用的技術，而且也為未來聚變實驗提供了寶貴的知識和經驗。也許，一場由聚變能引起的能源革命將在未來的某一天上演。

馬修·霍爾，是澳大利亞國立大學等離子體研究實驗室的高級研究員。

本文最初發表在《談話》（The Conversation）

蝌蚪五線譜編譯自sciencealert，譯者 sunshine，轉載須授權