升级了！英国核聚变反应堆由“甜甜圈”变身“去核苹果”，究竟改进了啥？

近日，英国的一个实验性核聚变反应堆首次启动发电，这表明英国在通往可控核聚变的道路上迈出了重要的一步。

位于牛津郡Culham的名为MAST Upgrade的机器装置已经证实了其所有组件可以协同工作，并将氢气加热成等离子体。这一机器是正在运转的核聚变反应堆的基本组成部分。

核聚变的原理是在极高的温度和压力下让核外电子摆脱原子核的束缚，让两个原子核能够互相吸引而碰撞到一起，发生原子核互相聚合作用，生成新的质量更重的原子核。这一过程与核裂变正好相反。

在宇宙之中，核聚变会在恒星中心自然发生。在巨大的恒星熔炉中，引力克服了带电氢原子相互排斥的倾向，就像磁铁的两个正极一样。

而要在地球上实现核聚变，第一步遭遇到的难题就是如何让核外电子摆脱原子核的束缚。

通过提高物质的温度(需要达到10万摄氏度左右)，人们能够使原子核和电子分开，制造出等离子体(不同于固体、液体和气体的物质第四态)。

正如此前前瞻网的一篇文章《小原子爆发大能量：人造太阳可以带来无限能源，还能承受上亿度高温!》中所介绍，目前实现可控核聚变有几种方案，包括激光约束核聚变、磁约束核聚变等，其中，人类对托卡马克的研究是最深入的。

英国本次成功进行试验的装置MAST Upgrade也属于托卡马克(Tokamak)，这是一种环形装置，利用强大的磁场制造出一个封闭空间，让核聚变的高温反应在磁场空间中进行。

托卡马克的中央是一个环形的真空室，很长一段时间以来，这种装置的形状都像个甜甜圈。不过本次MAST Upgrade采用了一个更为先进的形状，更像是一个去核的苹果。

(图：托卡马克，绿色圆锥箭头为等离子体电流)

MAST Upgrade是对此前的实验反应堆设备MAST的改进，MAST全名为“兆安培球形托卡马克”(Mega Ampere Spherical Tokamak)，运行于1999年至2013年。

(图： MAST Upgrade)

虽然是在同一地点建造的，但MAST Upgrade大约90%的硬件是全新的。这个有3米宽的设备比一台空客A380引擎还大，现在升级了更强的磁铁，配备了额外的仪器来跟踪和控制里面沸腾的等离子体，以更强的中性束喷射器的形式增加加热功率，并使其等离子体放电时间延长，最多可达5秒。

MAST Upgrade球形托卡马克细长的中心柱不同于主流设备如JET和ITER的笨重的环状装置，研究人员认为，这种形状比环形托卡马克更能保证等离子体的稳定性。但与传统的设计相比，人们对它的了解较少。

欧洲核聚变协会认为它是值得探索的聚变能源路线图的替代品。英国原子能机构(UKAEA)认为，紧凑的设计可能是未来小型和廉价核聚变发电厂的关键。

普林斯顿等离子体物理实验室(Princeton Plasma Physics Laboratory)也曾进行过类似的升级，被称为国家球形环面实验(NSTX)。但2016年，NSTX在耗资9400万美元升级后不久就发生了一系列故障，其恢复计划可能将花费数千万美元。

目前，MAST Upgrade能够产生加热到180万华氏度的等离子体，最终的目标是把等离子体温度提高到这个温度的10倍。

MAST Upgrade的另一项值得一提之处是它复杂的新分流器“Super-X”，这个设计能够有效冷却流出的等离子和保护排气壁。

(图：Super-X分流器)

在托卡马克反应堆中，分流器负责将余热和任何废弃物排出，包括聚变产物和来自反应堆内衬的等离子体杂质。

典型的托卡马克的内壁是由磁场保护的，不受内部的超热等离子体的影响。唯一的例外是分流器，它必须经受住如同太阳表面的高温和粒子撞击。这意味着它们需要定期更换，这增加了反应堆运行的成本。

MAST Upgrade的设计是为了尝试一种新的方法，在正常的等离子体排气过程中，在热等离子体接触和侵蚀分流器之前冷却。

为了冷却等离子体，MAST Upgrade的分流器附近的新磁线圈会将排气气流形成并拉伸成奇异的形状，像伸展的Super X或多管状雪花。

这给了等离子体更多的时间和空间来辐射能量，直到它最终到达排气壁。

研究人员的最终目标是降低温度，使其与汽车尾气的温度相近。

通过减少分流器的磨损，这项技术有望为未来的聚变电厂带来更长的使用寿命。

英国的核聚变雄心

耗资5500万英镑、历时7年建成的MAST Upgrade让英国向其目标——2040年建成英国第一座核聚变发电厂——又迈进了一步。

早在2017年，英国就启动过核聚变反应堆ST40，同样成功产生了等离子体，这是第一次由私人企业设计、制造和运营的世界级可控核聚变设备。

MAST Upgrade现在的试验性运转不会产生电力，而是为了使专家能够收集关键数据，并测试MAST Upgrade采用的一切新技术，除了托卡马克形状的改变之外，还有增加额外加热功率、从等离子体中提取热量的新技术以及其他改进。

这些经验还有望帮助世界上最大的核聚变试验，国际热核实验反应堆(ITER)。ITER建于法国南部，是中国、欧盟、印度、日本、韩国、俄罗斯和美国的合作项目，有来自30多个国家的数千名科学家参与其中。

尽管英国目前参与了ITER，但在不久的将来却可能会退出，因为英国政府退出了欧洲原子能条约，这是英国脱欧的一部分。

英国可以继续在ITER中发挥作用，但前提是在今年12月31日英国脱欧过渡期结束前达成一项新的协议，让英国继续参与ITER。