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　　1934年，實(shí)驗(yàn)室首次實(shí)現(xiàn)了核聚變反應(yīng)，成為當(dāng)時(shí)一項(xiàng)重大突破。然而，今天，實(shí)現(xiàn)核聚變反應(yīng)并不太難：2018年，一個(gè)12歲孩子在家成功制造了一個(gè)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置，作為這方面最年輕的人進(jìn)入吉尼斯世界紀(jì)錄。

　　不幸的是，這些實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生的脈沖只持續(xù)不到一秒的時(shí)間，實(shí)現(xiàn)和長時(shí)間地維持這種核聚變反應(yīng)仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。只有開發(fā)出一種穩(wěn)定可靠的核聚變發(fā)電方式，核聚變才能成為一種商業(yè)可行的能源。

　　核聚變發(fā)電

　　核聚變發(fā)電利用輕原子核“聚變”所釋放的能量。當(dāng)兩個(gè)輕原子核融合時(shí)，所產(chǎn)生的原子核質(zhì)量比原來兩個(gè)原子核質(zhì)量之和略輕。這一質(zhì)量差沒有消失，而是被轉(zhuǎn)化為能量。令人驚訝的是，這種微小的質(zhì)量損失轉(zhuǎn)化為巨大的能量，使得追求核聚變能非常值得。

　　物質(zhì)通常有三種狀態(tài)：固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)。如果氣體被置于極高溫下，就會(huì)變成等離子體。在等離子體中，電子被從原子中剝離出來。失去圍繞原子核運(yùn)行電子的原子被認(rèn)為處于電離狀態(tài)，并被稱為離子。因此，等離子體是由離子和自由電子組成的。在這種狀態(tài)下，科學(xué)家們可以激發(fā)離子，使其相互碰撞、聚變，并釋放能量。

　　為提取能量而保持等離子體穩(wěn)定，這比較困難。等離子體處于無序狀態(tài)、超熱，易發(fā)生混沌和其他不穩(wěn)定性。雖然對(duì)等離子體的認(rèn)識(shí)、建模和控制極其復(fù)雜，但研究人員在過去的幾十年里已取得巨大的進(jìn)步。

　　科學(xué)家們使用磁約束裝置操縱等離子體。此類最常見聚變反應(yīng)堆是托卡馬克和仿星器。對(duì)未來聚變能電廠而言，目前這些是前景最好的概念。

　　這兩種類型反應(yīng)堆均利用帶電粒子與磁力發(fā)生反應(yīng)這一事實(shí)。反應(yīng)堆中的強(qiáng)磁體使離子受到約束。電子也被反應(yīng)堆的力所束縛，并在周圍環(huán)境中起作用。磁力不斷地使這些粒子在其環(huán)形反應(yīng)堆內(nèi)旋轉(zhuǎn)，以防止它們逃離等離子體。

　　同樣的挑戰(zhàn)，不同的解決方案

　　由于仿星器構(gòu)型在建造上具有挑戰(zhàn)性，當(dāng)今大多數(shù)核聚變實(shí)驗(yàn)裝置都是托卡馬克(俄文表述簡(jiǎn)稱，譯為“具有磁線圈的環(huán)形真空室”)。目前大約有60個(gè)托卡馬克和10個(gè)仿星器在運(yùn)行。

　　兩種類型反應(yīng)堆各具優(yōu)勢(shì)。托卡馬克在保持等離子體溫度方面更出色，而仿星器在保持等離子體穩(wěn)定方面更出色。盡管托卡馬克目前很流行，但仿星器仍有可能在某一天成為未來聚變能電廠的首選。

　　研究人員在磁約束核聚變方面已取得巨大的進(jìn)步，現(xiàn)在可以輕松實(shí)現(xiàn)極高溫度的等離子體。他們已開發(fā)出操作等離子體的強(qiáng)大磁體，并開發(fā)出能夠承受反應(yīng)堆容器內(nèi)具有挑戰(zhàn)性工況的新型材料。實(shí)驗(yàn)、理論、建模和模擬方面的進(jìn)展使人們對(duì)等離子體行為有了更深入的了解，而像ITER等托卡馬克和仿星器實(shí)驗(yàn)裝置將在證明聚變能生產(chǎn)的科學(xué)和技術(shù)可行性方面發(fā)揮核心作用。

　　托卡馬克如何工作：

由變壓器引起的電場(chǎng)驅(qū)動(dòng)電流(紅色大箭頭)通過等離子體柱，產(chǎn)生一個(gè)極向磁場(chǎng)，將等離子體電流彎曲成一個(gè)圓形(綠色垂直圓圈)。將等離子體柱彎曲成一個(gè)圓圈可以防止泄漏，并且在一個(gè)環(huán)形容器內(nèi)這樣做會(huì)形成一個(gè)真空。另一個(gè)圍繞圓圈長度的磁場(chǎng)被稱為環(huán)形磁場(chǎng)(綠色水平圓圈)。這兩個(gè)場(chǎng)結(jié)合形成一個(gè)類似螺旋結(jié)構(gòu)(黑色所示)的三維曲線，等離子體在其中受到高度約束。

　　(王玉薈譯)