只需一点热核燃料，Z机将为未来提供超乎想象的聚变能
►Z机的电脉冲产生了强大磁场，压缩核燃料管
编译 | 秦雪
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美国新墨西哥州的桑迪亚国家实验室的等离子体物理学家，每次给核聚变反应堆点火时，都会有一大块金属装置在烟雾中化为乌有。Z机里成排的电容器里充满着相当于1000个闪电的电能，只要一按开关，2000万安培的电流就会涌向一个只有橡皮擦大小的装满燃料的圆筒，这股电流产生难以想象的巨大磁场，快速而狂暴的挤压力将圆筒内的氢原子聚变成氦，释放出高能量的中子和氦原子核（一种粒子），爆炸将放置在微小圆筒的复杂装置（一块重达10公斤的固体金属）完全汽化。
项目经理迈克·库尼奥（Mike Cuneo）说道：“这相当于释放出了3支炸药的能量，点火之后，装置会留下一个1英尺宽的火山口。”
物理学家现在准备通过添加一点用于热核武器上的珍贵燃料来制造更大的爆炸，这一做法既有风险也有回报。最近几年来发表的计算、模拟和实验结果表明，与激光和托卡马克聚变装置相比，Z装置更有希望率先实现自持聚变反应，并且其成本也相对较低。到目前为止，Z机释放的主要是氘（原子核中带有1个中子的氢），只能释放出有限数量的聚变能。然而2015年8月，研究人员尝试添加了少量的氚（带有2个中子的氢）。今后5年里，测试剂量将逐渐增加到50%的氘和50%的氚（DT）。
50%对50%的DT燃料释放的中子是单独以氘做燃料核聚变的60至90倍，DT燃料核聚变产生的每个中子和α粒子携带的能量是单以氘为燃料的4倍。因此，随着燃料中氚含量向着50%目标逐渐增加，产生的能量将大幅飙升。
其他核聚变发电技术的尝试遵循了同样的途径。1997年，英国阿宾顿的一个托卡马克装置联合欧洲环（JET），以50%对50%的DT燃料产生了16兆瓦的电力，虽然持续时间只有不到一秒钟，但这次点火创下了核聚变产生能量的最高纪录，这个纪录一直保持至今。但JET反应器壁上的石墨限制了能量产出。“对于氚来说，碳像海绵一样，因此大约有70%的氚会喷射粘在反应堆内壁上。”英国牛津国际热核实验反应堆（ITER）物理部门负责人萨维尔·利托顿（Xavier Litaudon）回忆道。利托顿现在正在游说增加JET的资金，计划于2019年开始新一轮的DT实验。建在法国的卡达拉舍附近的ITER是一个国际托卡马克装置，将使用DT释放出远超投入燃料的核聚变能量。
托卡马克与Z装置原理不同：前者利用环形磁场来约束高温等离子体，属于磁约束；后者利用燃料的惯性和强电流形成的磁笼，在微秒时间范围内发生剧烈反应，属于磁-惯性约束。这种反应原理与美国加州的劳伦斯利物莫国家实验室（LLNL）的国家点火装置（National Ignition Facility，NIF）类似，所不同的是NIF用万亿瓦功率的激光来诱发聚变反应。
桑迪亚实验室和NIF的科学家不用再担心因氚流失在石墨壁上的问题，因为与托卡马克装置不同的是，Z机没有用于束缚的封闭墙体。与NIF不同的是，Z机的磁场能延缓α粒子的产生，并沿磁场线将它们束缚住，将更多的能量用于维持聚变反应。
桑迪亚实验室是目前还在使用DT的3个聚变反应中心之一（见表1）。
为核聚变点上一把火
一个问题是成本：
1克氚需要花费数万美元，因为自然界没有这种东西，它是核反应堆在核裂变过程中产生的副产品。
另一个问题是安全：
“氚具有轻度放射性，半衰期为12年，须谨慎处理。”美国新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究员里奇·哈维卢克（Rich Hawryluk）说道。更重要的是，DT聚变反应过程中与钢铁部件产生碰撞也会让这些部件稍微沾染上放射性。所以当PPPL 在使用了DT并于1999年关闭反应堆后进行了谨慎处理，在这个房间大小的容器里填满混凝土后，然后切片埋在了华盛顿州的汉福德核保留地。
只要接触到水，甚至包括空气中的湿气，氚就会形成氚水，氚水比纯气态T2的生物危险性至少强1万倍，哈维卢克说道。这也是Z机特别引起重视的一个问题，为此Z机的电气部件都做了水和油的隔离处理。“我们不希望有氚进入。”库尼奥说道。
而在NIF，氚可能带来的危险较小，它被包含在一个微小的球体中，操作人员不需要经常进入机器内部。相比之下，桑迪亚实验室的容器两端是开口的，在剧烈反应下氚会与到处飞溅的气态金属相混合。“每次点火后，都要有人进入里面更换加速器。”库尼奥说道。
尽管如此，桑迪亚实验室仍然在继续推动使用氚，部分原因是它能够生成更多的中子，后者有助于揭示瞬间存在的高温高密度等离子体的行为。具体情况现代物理学至今也不十分清楚。库尼奥说，在明年计划的3次点火中，他们将移动一个氚控制系统，以达到测试空气吹扫安全系统和更清晰研究中子。
“最近的研究成果令我们备感兴奋，虽然只添加了0.1%的氚。”他补充道,“过去我们很难相信可以用氚进行聚变反应。”
制版编辑：姚兰婷 |
本文原载公众号“世界科学”，《知识分子》经授权转载，略有修订。
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