核聚变离我们还有多远？

随着科学技术的发展，对能源的需求越来越大。尽管化石能源(主要包括煤、石油和天然气)仍然是世界上最重要的能源消耗。然而，更不用说使用化石能源对周围环境的污染，人类的不断开发最终将导致化石能源的枯竭。因此，发展清洁新能源是未来发展的方向。太阳能、风能和生物质能等新能源已经逐渐融入我们的生活。事实上，即使听起来有点不真实，核聚变能源确实是一种新能源。

在零排放的前提下，核聚变可以为我们提供大量的清洁能源，这几乎是无限量的燃料。如果我们能很好地开发和利用核聚变能源，那么我们目前的能源结构可能会发生巨大的变化。当然，所有好的想法都是基于我们对核聚变能源的利用。由于这个原因，世界各地的研究人员在这项研究上花费了大量的精力和财力，目前已经在科学研究基金上投资了数十亿美元。

去年2月，德国东北部沿海城市格里夫斯瓦尔德新建的核聚变装置温德尔斯坦7-X卫星模拟器正式开始运行，开启了核聚变能源研究的新篇章。

这是一个实验性聚变反应堆，项目资金高达10亿欧元。它主要用于测试各种设计的反应器。

预计该聚变堆的运行时间将在2021年前后持续约30分钟，这也是目前世界上所有聚变堆中最长的运行时间，在展示未来聚变发电厂的一些基本特征——连续运行方面发挥着重要作用。

然而，温德尔斯坦7-X并不是唯一的高空聚变反应堆。在法国南部，ITER(国际热核聚变实验堆)项目目前正在建设中，是世界上最大和影响最深远的国际科学研究合作项目之一。这个ITER也是一个实验性的聚变反应堆，但是它使用了一个不同于温德尔斯坦7-X卫星模拟器的设计，叫做托卡马克装置，耗资200亿美元。

然而，尽管温德尔斯坦7-X和ITER采用了不同的设计，他们是互补的。只要其中一个有所创新和突破，就有可能发展成为最终的核聚变发电厂，能够每天供电。

路径失真

类似于太阳内部的聚变反应，两个轻原子，如氢原子或氦原子，会聚形成新原子并释放巨大能量。我们也许能通过同样的方法获得所需的聚变能。

聚变反应产生的原子质量最终会比原来两个原子的质量总和略低。根据爱因斯坦的质量-能量方程E = mc，我们可以知道质量减少最终转化为能量，这通常被称为聚变能。

然而，研究的重点是如何简化两个原子之间的聚变反应，这也是一大难点。目前，聚变反应的实现需要将反应堆加热到几百万摄氏度。

然而，如此高的反应温度对于普通容器来说是不可接受的，并且正常反应材料的性质也会在一定程度上发生变化。在过高的温度下，聚变反应材料会变成热电气体，也称为等离子体。如果放置在适当大小的磁场中，反应材料将不会与反应器内部接触。

温德尔斯坦7-X卫星模拟器的设计特别有趣。它主要包括一个嵌入磁性瓶中的真空室，该真空室由一个由70匝超导磁体线圈组成的系统产生。磁性瓶产生的强磁场足以保持热等离子体不与反应器内部接触。

卫星模拟器和托卡马克都属于环形磁约束装置，用于研究各种聚变反应。

事实上，这些实验都限制了等离子体通过由强环形磁场形成的磁性瓶的行为。

然而，为了使圆形磁性瓶对等离子体具有良好的限制，磁场必须具有弯曲运动粒子的运动路径的能力。在托卡马克装置的ITER反应堆中，等离子体中的大电流可以用来完成这种扭曲粒子的运动轨迹。

然而，这种大电流可能导致整个系统的不稳定性，即等离子体的破坏。

如果等离子体被破坏了，我们需要向反应堆注入其他气体来冷却它，以防止等离子体破坏实验甚至一些危险的东西。

相比之下，在卫星模拟器中，这种扭转路径主要是通过扭转整个机器本身来实现的。相反，没有大的环形电流能使等离子体更稳定。

显然，研究成本主要来自激励线圈和对运动粒子的限制。通常，为了降低成本，激励线圈的设计不像理想的那样复杂，并且对运动粒子的限制也被简化，这意味着在磁性瓶中包含等离子体不是那么容易的。

共同点

虽然温德尔斯坦7-X和ITER使用不同的方法，但大多数底层技术是相同的。

首先，它们都是环形超导机器。其次，它们的加热方法也使用外部加热系统，例如通过一定频率的无线电加热等离子体或者将中性束注入反应堆。同时，大多数血浆诊断技术有许多共同之处。

在发电厂，氘和氚(氢的同位素)以及高能中子聚合形成氦原子。

当然，这种等离子体也包含氦原子，而电中性的中子主要分布在等离子体的空白区域。当外界被加热到一定温度时，这可以驱动汽轮机发电。

根据聚变反应的共同特征，我们清楚地知道，只有通过开发能够承受高温的材料和聚变反应产生的快中子，我们才能利用聚变能。

不管设计方法如何，聚变反应堆第一层的内壁必须能够在其寿命期间抵抗高能粒子的持续冲击。

在现阶段，无论是ITER使用的托卡马克装置还是温德尔斯坦7-X使用的卫星模拟器，讨论它是否更适合于商业核聚变发电厂还为时过早。

然而，开始研究温德尔斯坦7-x并不是一个错误。这不仅有助于区分更合适的技术，而且为未来的聚变实验提供了宝贵的知识和经验。也许，在未来的某一天，由聚变能源引发的能源革命将会上演。

蝌蚪工作人员从科学警报，翻译阳光，转载必须授权。