科学家计划2018年制造出“人造太阳”
三、技术难关与解决方案
1.超高能量的必要性和危害性
聚变燃料在“磁笼”以三种不同方式同时燃烧：电子线路发射电流穿过等离子体、微波加热以及环形磁场线圈周围的微粒加速器发射高能原子对其进行轰击。即使多策并举，时至今日所有的托卡马克都没有产生太多的聚变能。为了获得更大的突破，国际热核聚变实验反应堆将会启动一部更加巨大、密度更强的等离子环形磁场线圈。假如计划全部实现的话，则需要多十倍的能量才能激发出等离子。
如此高的能量会给国际热核聚变实验反应堆带来威胁，因为“磁笼”并非牢不可破的。活动剧烈的等离子体会发射出X射线，溢出带电粒子。而且，聚变反应将产生电中性且不受磁力吸引的高能中子。尽管有“磁笼”约束，国际热核聚变实验反应堆的等离子体很可能会以每平方米数兆瓦的热量将外壁炸开，其破坏力将远远超过此前的任何托卡马克或常规核裂变反应堆。
2.如何使反应仓坚不可摧
解决能量问题的方案貌似简单：用水冷回路将热量转移至热交换器，最终形成蒸汽。负责ITER反应器内部食物的马里奥？梅罗拉说：“显而易见，这就是我们最希望通过核聚变反应所获取的东西—提取热能。”
但是，可操作性才是问题的关键。反应堆主承重壁，又称再生区，由440块半米厚的不锈钢板组成，并钉进很多高压水管。这些不锈钢墙壁将吸收绝大部分的中子，这些中子会使墙壁从内部升温。水管相距不锈钢内壁不超过2.5厘米，否则中间的钢板就会因温度太高而变软。
直接面对等离子体的内层钢板则不起作用。射入的等离子体会将钢板上的金属原子击发出并送进反应盒，污染那里的燃料和降低聚变反应的强度。为此，国际热核聚变实验反应堆研究团队选择用铍制成的瓷砖贴在墙壁上。虽然对人体有毒，但铍却非常适合抑制等离子破坏。它是一种轻元素，其原子重量非常接近氘和氚的原子重量。所以，尽管部分铍会从墙壁上爆发出去，也不会扑灭反应堆的火焰。
钢板和铍板也会被通过的电流和磁场的机械力量击伤。每块四吨重的金属板要承受一百吨的压力，因此它们必须要牢牢地固定、坚不可摧，哪怕上面有安装水管的洞孔。“再生仓的设计是整个反应堆中技术最难的部分之一。”梅罗拉说。
反应仓的底部也需要高强度的装甲板，并使用一种称作“偏滤器”的特殊装置以保持等离子体的纯度。聚变反应的主要副产品是氦核子，如果积累太多的话，将会扑灭反应中的核子烈焰。偏滤器的作用在于过滤掉等离子体的最表层，将其冷却并吸走，从而移除掉“氦垃圾”和其他杂质。偏滤器表面将非常灼热，单单是铍很容易熔化，因此要覆盖上熔点高达3000开氏温度的钨丝和碳纤维。
3.克服边缘局部化模态的破坏力
国际热核聚变实验反应堆的外壁能够利用水来降温，以抵御等离子线圈发射出的持续热量。但这还不是反应堆必须要面对的最大问题。托卡马克内部的等离子体在很多方面都和太阳相似，例如线圈也会突然产生一种称作“边缘局部化模态”的剧烈反应。在千分之一秒的瞬间，等离子线圈表面迅速膨胀，爆炸出大量的粒子。“看起来就像太阳耀斑一样。”国际热核聚变实验反应堆研究员阿尔伯托？罗雅特说。
“困扰我们的问题在于释放的粒子不仅数量庞大，而且具有一定的区域性和方向性，可能会产生每平方米数十亿瓦特的力量，那将是阳光照射地球功率密度的一百万倍。”罗雅特解释道。虽然单个的“边缘局部化模态”非常短暂，但其放射的能量也足以使表层的铍、钨或碳瞬间蒸发。假如“边缘局部化模态”每秒钟会出现几次的话，最坚固的装甲也会灰飞烟灭。
但是，国际热核聚变实验反应堆团队计划将冰块投进燃烧的火焰中来解决这个问题。该技术在上个世纪90年代应用于德国慕尼黑附近加兴市一个称作“偏滤器实验器”的反应堆。与其他的托卡马克一样，偏滤器实验器也需要把燃料放置在在等离子线圈上，为此它安装了一部气动喷枪，将冷却的氘球发射到线圈盒中。
偏滤器实验器的研究者发现，当氘球射到等离子时，会产生边缘局部化模态一样的爆发现象，大量的气体瞬间释放。因此可以通过确定发射氘球的时间和方向来降低边缘局部化模态的力度。“你可以选择连续性地发射氘球，从而使边缘局部化模态规模变小，并降低爆炸的破坏力。”罗雅特说。
当然，这种控制方法也并非完美无缺：边缘局部化模态最终会穿透反应堆的内壁，因此必须要有另外一层防御设施。2006年，在位于美国加州圣迭戈通用原子公司的DIII-D托卡马克试验中，物理学家发现他们能够利用反应堆内的一排小磁环来阻止边缘局部化模态的集中出现。小磁环放置在保护墙的后面，形成微弱的磁场，扰动等离子的表面，在一定程度上阻止了边缘局部化模态的爆发。“我们还无法从理论上清楚地解释这种现象。”罗雅特说。
上述两种方法在英国牛津附近的JET聚变反应堆被进一步改进，但最终的试验将在国际热核聚变实验反应堆进行，以验证它们是否能够在不释放太多等离子和影响聚变反应的前提下控制住边缘局部化模态。
4.令人不寒而栗的中子爆炸
中子是另一个潜在的威胁。聚变反应堆芯产生的高能中子会整个反应堆温度升高，破坏它们碰到的任何结晶体，坚硬的金属也会变得脆弱不堪。反应堆引发的中子爆炸将远比我们在地球上看到的一切爆炸都更加剧烈—整个反应堆会不会被炸得粉身碎骨呢？
梅罗拉深信这种情况不会发生。保护壁会采用奥氏体不锈钢。这是一种用于家庭餐具上的钢材，具有高弹性晶体结构，即使在很多原子遭到破坏的情况下仍具有足够的强度。“奥氏体不锈钢抗击打能力是非常强的。”梅罗拉说。
核聚变始终是充满争议，特别是由于需要源源不断的巨额投入。单单是国际热核聚变实验反应堆就需要100亿美元。怀疑论者还指出，核聚变支持者于二十世纪五十年代就提出会开发出取之不尽、用之不竭的清洁能源。但半个多世纪过去了，实现的前景仍然遥遥无期。
国际热核聚变实验反应堆团队显然希望这一天尽快到来。如果他们能够在反应堆成功取得实质性突破，最终实现核聚变发电的梦想也许真的为期不远了。
新浪科技(唐宁)
