加入核武器的原料，这个聚变反应堆或将代表能源的未来

　　

　　 美国阿尔伯克基市 的桑迪亚国家实验室（ Sandia National Laboratories ）有一个著名聚变反应堆“ Z 装置”（ Z machine ）。等离子体物理学家们每次对反应堆进行点火试验时总能看到奇特的一幕：烟雾从装置上袅袅腾起，犹如火山喷发。

　　 Z 装置所用电容的储电量比一千次闪电的放电量还有多，反应堆点火时， 2000 万安培的电流涌入铅笔橡皮头大小的柱形燃料元件。电流激发出强烈的电磁场，在电磁场作用下燃料元件内的氢原子极速压缩，发生强烈的聚变反应，并释放出高能中子和氦原子核。柱形燃料外围是 10 公斤金属做成的复杂包壳结构，但剧烈反应所释放的能量太大，大到足以使金属包壳化为云烟。

Z装置的脉冲电流形成的强磁场压缩燃料元件发生聚变反应

“这相当于释放出了三只炸药的能量”，该工程的一名项目经理迈克·库尼奥（Mike Cuneo）说。“点火之后，装置会留下一个一英尺宽的火山口。”

　　目前， 物理学家准备在燃料中加入用于热核武器的稀有原料 ，这一抉择虽有风险却颇有成效。

从最近几年发表的有关聚变堆的计算、模拟和试验结果可以看出，相比与激光和托克马克聚变装置，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。

目前，Z装置聚变燃料主要以氘元素为主，氘-氘反应释放能量相对较少。今年8月，研究人员向燃料中添加了少量氚，未来5年氘-氚（DT）比例会逐渐提升到1比1。

氘-氚反应所释放的中子量是氘-氘反应的60至90倍，并且中子与α粒子的能量也是后者的4倍多。随着燃料中氚比例增多，反应所释放能量也相应增大。

世界上其他一些聚变堆燃料也是用这种方法。比如位于英国阿宾登（Abingdon）的托克马克装置欧洲联合环流器（Joint European Torus，JET），它在1997年进行的氘-氚聚变反应释放出了16兆瓦的电力，但持续时间还不到一秒。

目前，JET依然是聚变堆输出能量的记录保持者。对JET能量输出影响最大的是反应堆内的石墨器壁。“石墨壁像海绵一样，吸收了70%的氚，”萨维尔·利托顿（Xavier Litaudon）回忆道。利托顿是牛津大学ITER项目负责人，他目前正为2019年新一轮JET氘-氚反应募集资金。

位于法国卡达拉什（Cadarache）的国际托克马克聚变装置ITER目前仍然在建，它的最终目标就是用氘-氚反应净能量输出。但ITER的预算已经超标，预期目标也没能实现。

托克马克与Z装置原理不同：前者是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与强电流形成的磁笼，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。

桑迪亚和NIF的聚变装置没有石墨壁，所以科学家们不必担心氚燃料会像托克马克装置一样被吸收。据库尼奥介绍，相较于NIFTY，Z装置磁场可以约束α粒子，将更多能量用于维持聚变反应。

目前世界上仅有3个氘-氚聚变堆，Z装置是其中之一。其中一个原因是成本问题。每克氚价格上万美元，因为氚没有自然存储，只能作为裂变反应副产品而获得。

　　

还有一个问题是安全性。“氚的半衰期是12年，有轻微放射性，必须谨慎处理，”普林斯顿等离子体物理实验室（PPPL）的研究员瑞奇·哈夫雷卢克（Rich Hawryluk）说。

而且氘-氚反应释放出的中子轰击反应堆的结构钢，也会使后者带有轻微放射性。所以PPPL在90年的进行完氘-氚实验将装置关闭后，将反应容器装满混凝土并埋在华盛顿州的汉福德核基地。

据哈夫雷卢克介绍，氚遇水甚至湿空气会形成氚水，它的生物毒性是纯氚气的上万倍。未来避免事故，Z装置将水池和油池内的电子元件进行隔离。“我们课不想有氚水生成，”库尼奥说。

而NIF的氚元素包裹在一个小球内，而且工作人员也不经常进入装置内部，所以氚的危险性也较小。相比之下，桑迪亚装置的燃料元件两端开口，在剧烈反应下氚会与到处飞溅的气态金属相混合。“每次点火后工作人员都要进入装置内部，将加速器中心的装置整个换掉，”库尼奥说。

尽管如此，Z装置仍然坚持用氚作燃料。这是因为氚可以产生额外中子，后者有助于揭示瞬间存在的高温高密度等离子体的行为。在明年的三次点火试验中，研究人员会移除含氚系统，以检测空气净化系统的安全性并且更加透彻地研究中子。

“虽然最近的试验只添加的十分之一的氚，但结果很令人振奋，”库尼奥补充道，“过去我们很难相信可以用氚进行聚变反应。”

　　 编辑：孙小彪

　　 参考：http://www.sciencemag.org/news/2016/11/touch-thermonuclear-bomb-fuel-z-machine-could-provide-fusion-energy-future

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