美国家核聚变实验室将重生 但未来几年仍会落后中国

据美国科学杂志网站2月6日报道， 在历时5年，耗资9400万美元进行升级后，普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）物理学家在2016年重新启动了国家球形圆环实验（NSTX）。

美国PPPL的NSTX试验装置

但是在运行仅10周之后，就由于一个线圈的短路导致NSTX再次关闭。这对于实验室来说是雪上加霜。在1980年代，PPPL运行过多台机器，雇用了将近1300名员工，并领导了全球对利用核聚变这种跟太阳一样原理的能量源的追求。

1994年，PPPL有史以来最大的托卡马克聚变试验反应堆（TFTR）短暂产生了10.7兆瓦的功率，直到现在这仍是美国的最高记录。但美好时光并没有持续，数年来，美国国会削减了能源部（DOE）的核聚变预算，并关闭了TFTR。2003年，美国加入了在法国卡达拉奇附近建造的大型国际核聚变反应堆ITER的工作，这一承诺使美国国内的聚变研究变得更加困难。2008年，DOE取消了PPPL的另一座未完成的聚变反应堆，导致实验室领导层的改组。现在，PPPL拥有560名员工。它的一台大型机器NSTX在发生故障3年后处于闲置状态。

但是现在机会来了。经过多年的DOE审查，PPPL研究人员预计将在今年4月开始重建NSTX。一年前，美国国家科学，工程和医学研究院（NASEM）的一份报告敦促美国不仅要坚持ITER（这是一个预算严重超支而且进度落后于计划的工作），而且还要准备在ITER之后再制造类似的装置。这将是一座原型发电厂，比ITER更小，更便宜，而PPPL可能会在建造中起主导作用。

美国物理学家们正在将PPPL视为美国核聚变计划命运的领头羊，该计划在全球公开核聚变研究中所占的份额已降至六分之一。然而，实验室在自救的道路上仍然面临障碍。

NSTX装置外观类似外星飞船。这座两层楼的球体坐落在一个由管道和电缆组成的茧中，其主磁体的红色线圈从拱门中飞出。在球体内部，铜板和石墨砖衬砌成银色的壁。在运行过程中，一种稀疏的等离子体，被加热到1亿摄氏度，比太阳的核心还热，被注入到真空室中。注入的微波和搅动的磁场会加热并挤压等离子体，并使其在腔室内每秒旋转40，000次。

等离子体是由氘，氢的较重同位素组成的，其目标是使氢达到能聚变形成氦的温度和压力。这些反应释放能量，这些能量被自由飞行的中子带走。用氚（更重的氢同位素）代替某些氘，可使反应自持。这种核聚变可提供丰富的无碳能源，产生的放射性废物极少。在过去的半个世纪中，这种前景在过去半个世纪里点亮了PPPL。然而，在2019年10月的一个飘雨的周一清晨，实验室异常安静。

世界上几种主要的托克马克核聚变试验装置

在DOE关闭TFTR之后，PPPL研究人员开发了两种具有不同优势的，更小更激进的装置：NSTX和NCSX。NSTX是更常规的设计。传统的托卡马克具有甜甜圈的形状。但是像NSTX这样的球形圆环类似于一个带芯的苹果。2001年，PPPL开始进行另一项名为“国家紧凑型恒星发生器实验（NCSX）”的工作。然而，到了2008年，也就是它应该完成的一年之后，它的成本几乎增加了两倍，达到1.7亿美元。 DOE取消了该项目。然后是NSTX升级后的失败，其目的是使其磁场强度加倍。调查发现，除了线圈短路以外，NSTX还有许多问题。

目前在PPPL，第一项工作是使NSTX重新运行。PPPL研究人员已经开始制造新零件，并计划在2021年夏季开始运行NSTX。

2018年12月的NASEM的报告敦促美国在2030年代建造一个原型发电厂，作为ITER的继任者。利用高温超导体制成的强力电磁线圈等创新技术，紧凑型试验工厂（CPP）将比ITER（一家耗资250亿美元的庞然大物）更小，更便宜。建立CPP的呼吁可能有助于填补PPPL的麻烦。

还有钱的问题。NASEM的报告要求在美国进行的聚变研究每年增加2亿美元，国会将DOE的聚变能源科学预算从2019财年的5.64亿美元增加到今年的6.71亿美元。但是所有这些增加将归功于国际热核实验堆（ITER），国会是否会继续增加核聚变预算还有待观察。



　　中国环流器2号M是目前除了ITER装置外最先进的核聚变试验装置

　　目前除了国际合作的ITER装置外，最先进的核聚变试验装置就是中国的“环流器2号M”装置，计划在2020年投入使用。该装置的等离子体温度将要达到2亿摄氏度。看来，美国PPPL的装置在未来几年还会落后于中国。