Type One Energy公司的首个仿星器“无限一号”示意图。
本报讯 长期以来，被称为托卡马克的甜甜圈状的装置备受核聚变科学家的青睐。相比之下，它的“孪生兄弟”——仿星器获得的关注和资金却较少。但从长远来看，仿星器的一些特性可能使它成为“黑马”。
近日，多家初创公司发布了预计可以在下一个10年发电的仿星器原型机设计方案。一家公司还测试了一种新的磁铁技术，可以更容易地建造仿星器。
仿星器及相关设计的终极考验是让燃料达到足够高的温度和压力，从而触发核聚变，并释放出比引发反应所需的更多能量。目前，除了美国国家点火装置的短暂激光闪光外，还没有反应堆能实现这一目标。
美国麻省理工学院等离子体科学与聚变中心前主任Dennis Whyte说：“仿星器的出现令人兴奋。与托卡马克相比，它的操作更简单。”
然而核聚变装置面临的一个关键挑战是如何限制其过热的燃料，即由氢离子和电子构成的翻滚的等离子体。离子发生聚变需要1亿摄氏度，这个温度足以摧毁任何物质。
托卡马克虽然能有效控制粒子和它的热量，但也有致命弱点。该装置中心的电磁铁无法持续工作，必须偶尔暂停和重置。此外，托卡马克也容易发生“中断”即等离子体流动故障，导致粒子偏离轨道，从而可能损坏容器壁，甚至会产生直接烧穿容器壁的电子束。
相比之下，仿星器虽然也像托卡马克一样呈甜甜圈状，但它的磁铁无须等离子体流动即可限制等离子体，因此不会受到干扰，也无须重置。“理论上，它可以打开一次，然后永远开着。”Whyte说。但早期仿星器表现不佳，是因为碰撞的粒子从等离子体中扩散出来，导致后者的冷却，从而无法达到核聚变温度。
上世纪八九十年代，随着理论和超级计算机的进步，仿星器设计者能够计算出磁场的形状，从而限制了消耗热量的粒子碰撞。他们还设计出产生这些磁场所需的磁铁几何形状，即所谓优化。这些磁铁通常具有奇怪的扭曲形状，使得机器制造困难且昂贵。
2015年，德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所推出首个大型优化仿星器W7-X。经过10年发展，其运行时长与等离子体温度已可与托卡马克媲美。
美国Type One Energy公司副总裁、理论学家Chris Hegna表示，该公司上周在《等离子体物理学杂志》发表了7篇论文，详细描述了他们提议的仿星器原型机——“无限二号”。
Hegna说，“无限二号”可能在未来10年内启动，是一个真正的核聚变试验工厂。该装置跨度近14米，能够产生800兆瓦热量，从而带来350兆瓦的电力。
此外，德国Proxima Fusion公司在《聚变工程与设计》发表论文，公布了计划于21世纪30年代发电的仿星器方案，并计划于2027年建成高温超导测试磁体、2031年完成演示装置。
美国Thea Energy公司则另辟蹊径，试图完全摒弃复杂的磁铁形状，用简单环形线圈形成磁场，然后用覆盖在反应堆外部的数百个可控平面磁铁——磁像素来调整磁场。他们近期在arXiv公布的预印本论文显示，通过开关单个磁像素已经能够精确调控磁场形态。
这些突破重塑了行业信心。W7-X项目负责人Thomas Klinger说：“托卡马克的建造优势正在消失。”随着人工智能和大规模3D打印技术在磁铁设计制造上的应用，Whyte认为，仿星器正在迅速赶超，并有望获得成功。（文乐乐）
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