“仿星器”核聚变反应堆

能源危机终结者：德国开启全球最大“仿星器”核聚变反应堆澎湃新闻记者杨漾2015-12-1721:50来自能见度字号60多年来，科学家们一直梦想着掌握如太阳般制造能量的技术，获得永不枯竭的清洁廉价能源形式：核聚变。直到今天，这一愿景仍似近实远。但德国马克斯·普朗克研究所近日开启的世界最大核聚变研究设备仿星器（Stellarator），有望加速核聚变时代的到来。所谓仿星器，顾名思义，就是对恒星的模仿，实际上是一种核聚变反应装置。仿星器通过模仿恒星内部持续不断的核聚变反应，将等离子态的氢同位素氚和氘约束起来，并加热至1亿摄氏度的高温，发生核聚变以获得持续不断的能量。世界最大仿星器“Wendelstein7-X”放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室内。研究者称，该装置的设计将最终促使核聚变能源成为现实。马克斯·普朗克研究所下属的等离子体物理研究所10日宣布，用于研究核聚变反应的世界最大仿星器“Wendelstein7-X”（W7-X）当天开始运行，并首次制造出氦等离子体。“W7-X”是世界上最大的仿星器聚变装置，用来研究仿星器装置应用于聚变电站的适用性和可行性。这座受控核聚变装置由马克斯·普朗克等离子体物理研究所承建，位于德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德，项目投资达10亿欧元，目前已投入约3.7亿欧元。在经过9年的建造、超过100万个工时的组装之后，这一大型装置的主要组装工作于2014年4月完成。随后，研究人员开始准备工作，对所有技术系统逐一进行测试。“Wendelstein7-X”装置内并联环路的电子束，显示出沿着磁场线的轨迹。工作人员正在制作“Wendelstein7-X”的一个内部组件。12月10日当天，研究人员向“W7-X”内部的等离子体容器中注入大约一毫克氦气，并打开微波加热装置，氦等离子体随之产生。虽然“W7-X”首次制造出的氦等离子体放电仅持续十分之一秒，温度达到了1000000摄氏度，但研究人员对这一结果依然十分满意，表示“一切都在按计划进行”。对科学家们而言，下一个任务是延长等离子体的放电时间，并研究使用微波产生和加热氦等离子体的最好方法。“我们从惰性气体氦气开始制造等离子体，明年才会换成真正的研究对象——氢等离子体，”项目主管托马斯·克林格尔（ThomasKlinger）说，“因为将氦气变成等离子体更为容易，我们还能用氦等离子体清洁容器表面。”“Wendelstein7-X”装置的关键部件是一个50圈的超导磁线圈，高度大约为3.5米。该装置总共有16米宽。可控核聚变一直被视为人类彻底解决能源危机的终极模式。核聚变反应所需的氚和氘在自然界中广泛存在，1公斤核聚变原料产生的电能等同于1.1万吨煤产生的电能。核聚变反应堆比目前核电站的核裂变反应堆产生的核废料更少，放射性也会在短期内消失。相比之下，核聚变反应堆最为常见的设计叫做托卡马克装置（Tokamak）。这种形似甜甜圈的装置是呈圆形线圈的中空金属结构，全球范围内目前有超过36台托卡马克正在运行，历史上曾建成过200多台。当燃料在加热到1.5亿摄氏度以上时，就能形成高温等离子体。该系统初次测试时的图像，显示了荧光分支闭合的过程，使嵌套的磁场表面变得可见。多年来，由于用来产生等离子体的磁线圈装置优于目前正在运行的仿星器，托卡马克装置中一直被视为最具前景的“人造太阳”方式。同时，该类装置也更易建成、能更理想地约束等离子体。但不容忽视的是，托卡马克装置也暴露出一些安全风险，比如当电流故障时，磁场就会立即崩溃。这种崩溃会导致磁场力的释放，并足以损坏反应堆。在发表于《科学》（Science）杂志的深度报告中，马克斯·普朗克研究所的科学家称，“W7-X”装置是一个更加实用的选择，可以克服托卡马克装置存在的安全问题。与托卡马克相比，“W7-X”不但安全性更高，其最大特点是一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟，而托卡马克方式的这一约束时间最高纪录仅为6分30秒。实现对超高温等离子体的长时间约束是反应堆设计领域的“圣杯”，这意味着控制核聚变的进程，也就是说可以控制核聚变的开始和停止，并随时对反应速度进行调控。因此“W7-X”等仿星器设计方案被认为是未来核电站反应堆的发展方向。