迈向核聚变能源的马拉松赛将进入冲刺阶段

　　核聚变就是能源研究的圣杯。据悉，在法国和美国马萨诸塞州开展的两个实验，虽然正在以不同的方式进行核聚变，但都在取得进展。
　　上图：技术人员在法国东南部的圣保罗-勒-杜兰斯国际热核实验反应堆(ITER)的托卡马克大楼内工作。
　　今年9月，在法国南部的圣保罗-勒兹-杜兰斯（Saint-Paul-lez-Durance）卸下了一块非常大、威力惊人的磁铁，将其并入国际热核实验反应堆（ITER），这是一项旨在证明核聚变在经济和技术上可行性的重大国际合作项目。
　　在那个巨大的磁铁到达后的几天后，在大洋彼岸，美国麻省理工学院的一组研究人员与私营公司联邦聚变系统（Commonwealth Fusion Systems）合作，宣布了他们在经济核聚变竞赛中的最新成就：成功测试了他们的SPARC实验，该实验运行在一个相对较小的高温超导磁体上。
　　而这两个磁铁驱动的不同实验代表了两种实现核聚变能量的方法，这就是能源研究的圣杯。
　　实际上，核聚变已经实现了。可控聚变功率的纪录保持者是一台被亲切地称为＂JET＂的机器，它在20世纪90年代末产生了16兆瓦的核聚变功率。而物理学家和工程师现在面临的困难（以及自实现聚变以来一直面临的困难），是如何从核聚变反应堆中获得比运行反应的机器所使用的更多的能量。
　　核聚变是一种能产生巨大能量的反应，但它不会在地球上自然发生。如果人类能够安全和经济地从核聚变反应中产生比反应所需的更多的能量（这会需要大量的能量），我们将不再依赖煤炭、石油和天然气等碳基能源。但我们正在超越自己。
　　核聚变描述了当两个原子的轻核，融合成一个核时发生的反应。在这个过程中，大量的能量被释放出来。（这是爱因斯坦在实践中的E=mc2）要想发生核聚变，物质需要有极高的能量，这意味着它们需要非常、非常高的温度，达到1亿度或更高。核聚变使太阳发光，因为氢原子结合形成氦，并在此过程中释放能量。如果，科学家们能在地球上实现这一过程，并使这个过程实现规模化，那么，化石燃料将被我们剔除在外，能源将变得更加清洁。
　　麻省理工学院等离子体科学与核聚变中心物理学家马丁·格林沃尔德（Martin Greenwald）是麻省理工学院和CFS合作项目的成员，他表示说：＂你可以看出，这是一个很难解决的问题，因为人们几十年来一直在研究这个问题，付出了非常认真的努力，有聪明人，有很多很多钱，还有很大的机器。＂
　　这一切都不应与核裂变相混淆，核裂变是当今核电站的驱动力，并通过分裂重核来产生能量。核裂变产生的能量少于核聚变，并会产生放射性废物，而核聚变不会。
　　上图：这个110吨重的磁铁最近抵达了国际热核聚变反应堆，是六个磁铁中的一个，最终将成为反应堆中央螺线管磁铁的一部分。
　　事实上，ITER 和 SPARC 都依赖于一种叫做＂托卡马克＂（tokamaks）的机器。托卡马克是在20世纪50年代首次发明的，它限制了由可以相互作用产生聚变反应的粒子组成的过热等离子体。托卡马克是建立在圆环体中的，这只是几何学家描述＂甜甜圈＂形状的方式。托卡马克并不是唯一用于核聚变的机器：还有仿星器，它们类似于托卡马克，但更曲折。如果托卡马克是一个＂甜甜圈＂，那么仿星器就是一个＂油条＂。
　　这些装置都是用来产生磁场的，以容纳使核聚变成为可能的等离子体。本文开篇中提到的磁体（ITER的超大磁体和SPARC的相对较小磁体）是托卡马克的一部分，用来限制等离子体，使其不与普通物质接触。在托卡马克内部，等离子体会让人想起被搅打成形的棉花糖。随着时间的推移，我们可以从正在进行的物理过程中看到一系列令人愉快的蓝色、紫色和粉色。这通常是看不见的，但有一个托卡马克装置（布拉格的指南针托卡马克）里面安装了摄像头。
　　上图：普林斯顿大环面，拍摄于1975年，它证明了聚变在技术上是可行的。
　　ITER的磁铁是一个110吨的组件，最终由六个组件组成的中央螺线管磁铁。据美国能源部（Department of Energy）称，一旦建成，中央螺线管将成为有史以来最大的超导磁体，其磁场强度接近地球磁场的30万倍。整个托卡马克重达23000吨。ITER的目标是，产生10倍于该机器制造它所需电力的聚变能量 —— 50兆瓦产生500兆瓦的电力。
　　马克斯·普朗克等离子体物理研究所（Max Planck Institute for Plasma Physics）专攻核聚变的物理学家安娜·科勒（Ana Koller）表示说，有了两倍强的磁场，＂你可以用两倍小的设备实现同样的性能。＂ 但直到最近，这条赛道几乎都是一条死胡同，只能等待超导体方面的技术推动。
　　安娜·科勒表示，正如人们对需要很长时间来构建、操作和更新的极其复杂的机器所期望的那样，核聚变实验需要某种＂持续的管道胶带＂。作为一项大型国际合作项目，40年前首次构想的 ITER 在此过程中遇到了一些延误。 ITER 和 MIT-CFS 团队都在朝着运行聚变反应的目标奋力奔跑； ITER 目前预计将在 2025 年运行其首个等离子体，同年 MIT-CFS 预计 SPARC 将完成。反过来，SPARC 正在为一个名为 ARC 的试点聚变工厂奠定科学基础，该工厂可能会在 2030 年初投入运营。
　　上图：ARC反应堆的模型。
　　科勒还表示：＂这不是那种以羞辱和彻底消灭对手为最终目标的比赛。这是一场人类在核聚变研究中获得多样性的竞赛，我们可以在未来与之合作 —— 所以，这不是胜利者包揽一切的竞赛。＂
　　马丁·格林沃尔德从事核聚变研究已有50年之久， 但麻省理工学院团队最近的技术创新是一个分水岭。格林沃尔德说：＂利用高温超导体获得高场磁铁的想法，在某种程度上已经存在于我们的DNA中。＂但在最近的工程突破之前，研究小组并不知道他们将如何做到这一点。
　　现在，MIT-CFS团队正在全力推进SPARC，这是最终ARC反应堆的技术演示。ARC将以同样的方式建造，将一层一层的扁平超导材料堆叠在一起，并冷却到20开尔文以产生磁场。ARC取决于SPARC证明这一概念的能力。 格林沃尔德说：＂下一步是要做得更大一点，让整个设施都能发电。＂
　　虽然，ARC将是SPARC的两倍大，但它仍然比ITER小得多，后者是用更大的容器来容纳更多的等离子体，因此增加了聚变反应的可能性。麻省理工学院发布的一份新闻稿称，MIT-CFS研究小组的新磁体，使设备能够进行与体积大40倍的机器相似的核聚变。
　　上图：SPARC和ARC反应堆大小尺寸示意图。
　　当然，这说起来容易做起来难，多年的研究证明了这一点。如果核聚变能成为通向清洁能源未来的有效途径，它就需要相对便宜且可扩展。
　　就像安娜·科勒说的：＂我们是物理学家，我们必须对任何事情都持怀疑态度，但我们需要乐观的态度，来完成这项工作。＂
　　说到核聚变，总会有传道者和怀疑论者，也有所谓的现实主义者，尽管很难确定谁的期望最符合现实。 关于聚变能力的笑话是，它永远是30年后的事，在科学地平线之外的某个地方。 无论你认为核聚变是白日梦还是即将实现，已经取得的进展是不可否认的。也许 —— 只是也许 —— 我们会在接下来的十年里看到更多的进步。
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