德核能科學家創造出「負載怪獸」：模擬太陽內部持續的核聚變反應

太陽是地球萬物生長的動力源泉，無時無刻不在向外釋放著巨大的能量， 其能量彷彿取之不竭。人類也一直夢想能在地球上建立一個像太陽一樣的超級能源。但即便是在科技高度發展的今天，這一目標依舊難以實現。

太陽的能量來自於核聚變：氫離子在高溫高壓下發生反應，反應結果是產生一個氦核，放出一個中子，過程中伴隨有大量能量的產生。在地球上若想實現核聚變，就必須模擬出與太陽類似的高溫高壓環境。為實現這一目標，科學家們建造了「磁瓶」為核聚變創造條件。

如今，德國馬克斯·普朗克研究所等離子物理所（MPIPP）的科學家們正準備重啟經過改進的仿星器——仿星器（Stellarator）因模擬恆星（比如太陽）內部持續不斷的核聚變反應而得名，是以磁場約束核聚變等離子體，穩定運行提供動力的實驗裝置。

對於這次的實驗，這些科學家表現得異常興奮：為了這一天，他們等了五十年。也正是由於仿星器的複雜程度，使得其成為了一項具備里程碑意義的、人類科學與工程學上的雙重挑戰。

圖丨工人在安裝W7-X仿星器磁鐵時的情形

然而，對於大多數人來說，提起核聚變的「磁瓶」，首先想到的是托卡馬克（Tokamak），即環流器——這是一種長得像甜甜圈一樣的裝置，可以將等離子體束縛在一個環形管道內。

但事實上，托卡馬克只是實現「磁瓶」的一種方式，另外一種更為複雜的方式是螺旋磁鐵，以及介於托卡馬克和螺旋磁鐵之間的仿星器（stellarator）——這幾類裝置的目的都是為了束縛等離子體，而且這種束縛要足夠強，可以將質子推的足夠近。

這三類核聚變實驗裝置雖然都採用了一種「甜甜圈」構型，但卻又有一些本質上的不同。雖然相比於托卡馬克來說，仿星器有更好的束縛能力，但由於仿星器的磁場結構太過複雜，所以目前的實驗中基本還是在使用托卡馬克。

圖丨托卡馬克設計圖

托卡馬克的局限

實際上，托卡馬克由一個「甜甜圈」型的真空管道構成，通過一系列纏繞在管道上的通電線圈來施加磁場，如下圖所示。通電導線產生的磁場和其他一些磁鐵產生的磁場一起，構成了一個磁力線分布沿真空管道軸向的磁場。

當等離子體注入時，其帶電粒子在真空管道內螺旋形前進。咋一看，托卡馬克可以通過磁場將等離子體束縛在管道中。

然而，事實卻並非如此。對此，MPIPP仿星器項目的負責人Thomas Klinger教授說：「真空中的磁場並不具有束縛的屬性，因為它僅是一個環形場。純的環形場不能束縛等離子體——這早在1951年就被費米發現了。」

由於環形截面上磁場的分布不均勻，帶電粒子會在磁力線之間漂移，能量較高的粒子會漂移到外部。所以等離子束流會向外膨脹然後打到管道內壁上。為在托卡馬克中獲得高溫的等離子體，必須抑制這種漂移。

為實現此目標，需要在等離子束流中載入強大的電流。「你需要利用大電流來扭曲磁力線」，電流會產生另外一個磁場，這個磁場將扭曲原有磁場以使得磁力線呈螺旋狀。

圖丨Thomas Klinger教授

螺旋狀的磁力線會組成一系列相互嵌套的平面（可以想像俄羅斯套娃），等離子體中的粒子被束縛在這些表面上。這樣，儘管粒子仍會在不同的磁力線之間跳躍，但它們的漂移沒有了方向性。所以，平均來看，帶電粒子逃出束縛的可能性大大降低。

但即便是這樣，由於經過等離子體的電流、等離子體密度和溫度並不是在任一地方都均勻的，整個系統的穩定性還是很難保證。

精妙的磁場：仿星器

但在仿星器中，情況就和托卡馬克不一樣了，因為仿星器外部施加的磁場足夠束縛等離子體。所以，雖然真空管道依然是一個環形，但環繞管道的磁鐵不再是二維軸對稱的了。取而代之的是，可以產生扭曲磁場的異形磁鐵。

圖丨仿星器真空管道外部扭曲的特殊磁鐵

巧妙設計和特殊的磁鐵形狀可以抵消等離子體的漂移，最起碼可以防止粒子從等離子體中飄走。雖然這在理論上容易解釋，但現實中研究者們需要進行大量的工作。為確保磁場具有一個精確的分布，研究者們需要在不同尺度下進行大量的計算，而且這些計算都是三維的。

所以，還需要開發計算機程序來模擬等離子體在整個仿星器中的運動軌跡。而且，還需要等待電腦運算能力足夠強大來運行這些程序。 MPIPP仿星器項目負責人Klinger教授表示：「80年代的超級計算機就可以解出其中涉及的某些方程。但現在的計算能力大大增強，所以根據最新的結果，我們認為仿星器可以進一步實現優化。」

圖丨計算機程序模擬的仿星器中扭曲的磁場的分布

實際上，Kinger教授口中輕描淡寫的「優化」，真正操作起來是一個極其複雜的過程。科學家們需要決定哪個系統參數需要優化，以及優化的範圍。更難的是：沒有一個單一的計算機模型可以包含完整的參數，因為模型所需要的物理參數實在是太多了。

為了獲得等離子體在仿星器中的精確圖像，需要分別計算磁場模型和計算等離子體類流特性的磁流體力學模型。然後，為了驗證磁場對粒子漂移的束縛作用和粒子碰撞，還需要計算單一粒子在磁力線間運動的模型，以及可以處理漫射的模型。

所有的這些模型建立後，都需要進行計算機模擬和實驗驗證，全部通過後才能進入試驗設備的優化階段。

創造一頭「負載怪獸」

好了，上面這些描述彷彿讓仿星器成了一項「不可能完成的任務」。但經過近 50 年的努力，科學家們還是成功了！研究者們最終創造一頭「負載怪獸」：文德爾施泰因7-X（Wendelstein 7-X，W7-X）仿星器——W7-X看起來非常漂亮，但組裝起來可絕非易事。

圖丨建造中的 W7-X 仿星器

不同於托卡馬克採用的軸對稱磁鐵，非軸對稱磁鐵在加工中要經受一種平展力，試圖將它們壓平。所以這種超導線圈的纏繞結構還需具有足夠的機械強度來對抗這種力。不僅如此，要使超導線圈正常工作，還需接受在氦製冷劑、隔離高壓電，以及突然喪失超導性方面的挑戰。

光是建立這些造型奇特的磁鐵就花了 6 年時間。「我們對每一個線圈都進行了檢測。這是從一開始就預料到的，我們在巴黎對所有線圈逐一進行了細緻的檢查。」Klinger說。「其中有個叫做『阿波羅13』的線圈，在法國反覆送檢了三次。」

圖丨W7-X磁場結構示意圖

然而，這些問題相對於機械工程方面的問題來說，還都是小事。不同於托卡馬克，仿星器中使用的磁鐵不存在真正的對稱，所以整個結構需要事先建模。

工程師們採用有限元分析（結構設計的常用方法）對磁鐵中的受力進行分析，然後設計出相應的結構可以與之相匹配。但前期計算卻錯了，在磁鐵生產的過程中才發現這一問題。

對此，Klinger解釋道：「我們必須更換整個結構支撐的概念，而這也是最基本的概念。而且最重要的改變是我們需要將磁鐵系統做的更有柔性。」

最終，整個結構都被重新設計，以使得磁場可以有 5 厘米的位移。這些磁鐵的位移是一致的，因此它們的相對位置保持不變，產生的磁場也與之前一樣。

圖丨W7-X裝置圖

以上的這些聽起來也許不算是一個成就。但考慮到承載磁鐵的管道和真空內腔具有約16米的直徑，而磁鐵的相對偏差要控制在100個微米以內；而且，這種偏差還要考慮到當接通電流時，磁場可能會有4厘米左右的位移；就會知道實現起來的難度。

終於，在 2016 下半年，科學家對磁鐵線圈進行通電，並對產生的磁場進行了測量——所測得磁場的形狀與計算機模擬的結果偏差在十萬分之一以內！這時，所有人都鬆了一口氣......

一般來說，接下來的步驟是在仿星器的管道壁鋪設吸熱材料，用以吸收來自等離子體的能量。但面對如此高的吻合度，研究者們決定在吸熱材料還沒安裝到位前就開始做一些初期、低溫的等離子體實驗測試。他們運行了 2 到 4 兆焦、離子溫度高達 2000 電子伏的等離子體，發現結果與理論預測一致。

圖丨工作人員正在組裝 W7-X的管道

目前，仿星器的管道已被再度打開了，技術人員正在安裝8000片碳板。這將可以使研究者測試80兆焦的能量，同時也將驗證兩個非常關鍵的問題。首先，研究者希望驗證等離子體囚禁的模型：他們是否可以得到所預測到的等離子體密度和離子溫度？

其次，研究者想證實仿星器是真的足夠穩定，可以滿足連續工作的要求。雖然，由於基於石墨烯的碳板還沒加裝水冷裝置，因此W7-X只可以在全功率下運行10秒。因此研究者只能在較低功率運行，但這也足夠證明一部分的穩定度。

圖丨第一次高溫等離子體測試，此時管道內壁還未鋪設隔熱材料

根據之前的分析，所有的磁場束縛系統都會有泄露。一旦泄露，等離子體將會撞上管壁；由於等離子體有能量，所以將會加熱、甚至燒穿牆體材料；而且，肯定會將燃燒後的污染物從牆壁上吹到等離子體上。

對於這個問題的解決方法是：構造特殊的磁場結構，形成特定的「出口」對等離子體進行收集。比如使用不易燒蝕、熱傳導性好的材料，使用水冷系統或是將燒蝕後的污染物抽走等，研究者們僅需要精心設計出口處的各個小的細節即可。這些「出口」就是分流器。多年前，托卡馬克實驗中就安裝了分流器，但仿星器中一直沒能使用。

如果在分流器的基礎上再配備水冷系統，那麼W7-X將可以以10兆瓦的功率運行一個半小時，這個時間足夠在最高溫度和密度下驗證操作穩定性了，同時也會獲得與核聚變相關的實驗數據。

圖丨亮點形成的「島鏈」為W7-X分流器的候選位置

目前，研究者們確實可以在計算機模型中模擬出理想的仿星器，但研究者們希望能通過W7-X能將其變為現實。但目前還缺乏一個完美的模型。其中一個主要的難點是對湍流現象的準確描述。

圖丨湍流

湍流將導致等離子體密度在時間和空間中變化，使得離子從等離子體中泄露。但是，即使完整的3D模型也不能處理湍流問題，而現有的改進模型是沿單一通量線追蹤粒子在整個仿星器中的運動，這種模型在每個數據點的運算需要消耗大約5百萬個CPU計算小時。

對於如此龐大的計算量，研究者已經開始考慮通過一些人工智慧的演算法。從複雜精準的模型中提取出經驗模型，僅需要輸入簡單的參數就能快速的預測湍流，從而以實現有效的控制。

核聚變的未來

W7-X仿星器的一部分資助來自於一個歐洲的財團，名叫EUROfusion。但如果瀏覽 EUROfusion 的網站，基本不會找到有關仿星器的消息。相反的，所有的光環都加在ITER（國際熱核聚變實驗反應堆）上。這其中的原因在於ITER和W7-X在設計理念上的不同。

根據 EUROfusion 的經理 Tony Donné 教授表示，ITER的理念是進行完整的、大量的有趣實驗以驗證物理定律，其中的一些物理定律可用於商業核反應器的建造。這其中不僅僅包括如何囚禁、控制等離子體，還包括可以吸熱的分流器，以及可以產生氚燃料以進行氘－氚核聚變的鈹牆。

在另一方面，由於W7-X不能產生氚，所以只能實驗等離子體參數特性，不能用於核聚變。

圖丨建造中的ITER，EUROfusion 最寵愛的項目

繼 ITER 之後，EUROfusion 的下一個計劃是 DEMO，一個基於核聚變的核電站的驗證項目。根據 Donné 表示，這個項目也將是基於托卡馬克結構。

然而，如果 W7-X 性能通過驗證而且表現優異，改為基於仿星器的設計也不是不可能。但由於 DEMO 的先期設計已經在進行中，時間緊迫，需要 W7-X 趕在計劃之前出結果。因此，基於 W7-X 一類的仿星器可能被發展為第二代核聚變核電站。

但拋開以上一切，不管未來核聚變是在怎樣的結構內產生，核聚變本身是否可以作為一種可使用的能源還是一個未知數。不同於大多數的清潔能源方案，可控核聚變在初期的投入是巨大的：大型且昂貴的磁鐵，而且這還僅僅是一小部分。而且，如果將減少碳排放的希望寄托在核聚變上，恐怕短期內會讓很多人失望了。

因此，仿星器是一項登峰造極物理和科學的重要成就，值得世界為之期待。它代表了未來的希望，但人們離安全使用核聚變來生產能源還有很長的路要走。

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