60多年來(lái)，科學(xué)家們一直夢(mèng)想著一種永不枯竭的清潔能源形式：核聚變。

而他們還在夢(mèng)想著。

但是感謝普朗克研究所在等離子體物理學(xué)上的努力，專家們希望這可能會(huì)很快改變。

去年，經(jīng)過(guò)110萬(wàn)施工小時(shí)，該所完成了世界上最大的稱為仿星器的核聚變機(jī)器。

這臺(tái)直徑52英尺(15.85米)的機(jī)器名叫W7-X。

經(jīng)過(guò)一年多測(cè)試，工程師們終于準(zhǔn)備好首次點(diǎn)亮這臺(tái)11億美元機(jī)器。

核反應(yīng)堆中的黑馬

仿星器在等離子體物理學(xué)界被稱為核聚變反應(yīng)堆中的“黑馬”，它惡名昭彰地難以建造。

下面顯示了W7-X歷時(shí)19年才造完的眾多不同層次：

從2003年到2007年，該項(xiàng)目在建設(shè)期間遭受了一些重大挫折——包括承包制造商之一倒閉——幾乎導(dǎo)致整個(gè)項(xiàng)目取消。

建造仿星器的嘗試屈指可數(shù)，而建成的甚至更少。

相比之下，仿星器更受歡迎的表親稱為托卡馬克，卻得到廣泛使用。世界各地有超過(guò)三十六臺(tái)托卡馬克正在運(yùn)作，而史上一共曾建造過(guò)200多臺(tái)。這些機(jī)器更容易建造，而且在過(guò)去作為核反應(yīng)堆比仿星器性能更好。

但托卡馬克們有一個(gè)重大缺陷，而W7-X據(jù)說(shuō)對(duì)此是免疫的，預(yù)示著這臺(tái)最新的德國(guó)機(jī)器怪獸可能會(huì)是一個(gè)游戲規(guī)則改變者。

核聚變反應(yīng)堆如何工作

托卡馬克裝置一般示意圖。注意它比仿星器層數(shù)更少，而且磁線圈形狀也不同。

任何一種核聚變反應(yīng)堆成功的關(guān)鍵是生成、約束和控制一坨稱為等離子體的氣體，它被加熱到1.8億華氏度(1億攝氏度)以上的溫度。

在這種熾熱溫度下，電子被從原子上扯下，形成等離子。

通常情況下，離子們會(huì)像碰碰車一樣互相彈開(kāi)，但在這種極端條件下它們間的排斥力就能被克服。

因而離子就能互相碰撞并融合，產(chǎn)生能量，你就完成了核聚變。今天的核反應(yīng)堆的燃料不同于核聚變，它的運(yùn)作能量來(lái)自于原子衰變或裂變，而不是融合。

核聚變過(guò)程驅(qū)動(dòng)了我們的太陽(yáng)約45億年，并且還將繼續(xù)約40億年。

一旦工程師們?cè)诜磻?yīng)堆中加熱氣體到適當(dāng)溫度，就使用超低溫冷卻的磁線圈產(chǎn)生強(qiáng)大磁場(chǎng)約束和控制等離子體。

托卡馬克和仿星器的區(qū)別

因?yàn)橥锌R克的磁線圈配置比目前運(yùn)作中的仿星器能更好地約束等離子體，它多年來(lái)被認(rèn)為是以太陽(yáng)的方式產(chǎn)生能量的最有前途的機(jī)器。

但是有一個(gè)問(wèn)題：托卡馬克只能短暫爆發(fā)地控制等離子體，持續(xù)不超過(guò)七分鐘。而生成等離子體所需的能量比工程師們能從這些周期性爆發(fā)中得到的能量更多。

因而托卡馬克們消耗比它們所產(chǎn)生更多的能量，這可不是你想要的已被吹捧為“未來(lái)千年中最重要的能量來(lái)源”的核聚變反應(yīng)堆。

因?yàn)榉滦瞧鞯脑O(shè)計(jì)，專家們猜測(cè)它能一次性維持等離子體至少30分鐘以上，這比任何托卡馬克都長(zhǎng)的多。法國(guó)的托卡馬克裝置“ToreSupra”目前保持著6分30秒的記錄。

如果W7-X成功，它將改變核聚變界的方向并把仿星器推到聚光燈下。

“全世界正等著看我們是否能達(dá)到約束時(shí)間，并保持更長(zhǎng)的脈沖，”普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的仿星器首席物理學(xué)家DavidGates告訴《科學(xué)》。