不想輸給中國，經過數十年衰落後美國國家核聚變實驗室尋求重生（騰訊）_風聞
guan_15573814801324-2020-02-10 08:09
據美國科學雜誌網站2月6日報道, 在歷時5年，耗資9400萬美元進行升級後，普林斯頓等離子體物理實驗室(PPPL)物理學家在2016年重新啓動了國家球形圓環實驗（NSTX）。
但是在運行僅10周之後，就由於一個線圈的短路導致NSTX再次關閉。這對於實驗室來説是雪上加霜。在1980年代，PPPL運行過多台機器，僱用了將近1300名員工，並領導了全球對利用核聚變這種跟太陽一樣原理的能量源的追求。
1994年，PPPL有史以來最大的託卡馬克聚變試驗反應堆（TFTR）短暫產生了10.7兆瓦的功率，直到現在這仍是美國的最高記錄。但美好時光並沒有持續，數年來，美國國會削減了能源部（DOE）的核聚變預算，並關閉了TFTR。2003年，美國加入了在法國卡達拉奇附近建造的大型國際核聚變反應堆ITER的工作，這一承諾使美國國內的聚變研究變得更加困難。2008年，DOE取消了PPPL的另一座未完成的聚變反應堆，導致實驗室領導層的改組。現在，PPPL擁有560名員工。它的一台大型機器NSTX在發生故障3年後處於閒置狀態。
但是現在機會來了。經過多年的DOE審查，PPPL研究人員預計將在今年4月開始重建NSTX。一年前，美國國家科學，工程和醫學研究院（NASEM）的一份報告敦促美國不僅要堅持ITER（這是一個預算嚴重超支而且進度落後於計劃的工作），而且還要準備在ITER之後再製造類似的裝置。這將是一座原型發電廠，比ITER更小，更便宜，而PPPL可能會在建造中起主導作用。
美國物理學家們正在將PPPL視為美國核聚變計劃命運的領頭羊，該計劃在全球公開核聚變研究中所佔的份額已降至六分之一。然而，實驗室在自救的道路上仍然面臨障礙。
NSTX裝置外觀類似外星飛船。這座兩層樓的球體坐落在一個由管道和電纜組成的繭中，其主磁體的紅色線圈從拱門中飛出。在球體內部，銅板和石墨磚襯砌成銀色的壁。在運行過程中，一種稀疏的等離子體，被加熱到1億攝氏度，比太陽的核心還熱，被注入到真空室中。注入的微波和攪動的磁場會加熱並擠壓等離子體，並使其在腔室內每秒旋轉40,000次。
等離子體是由氘，氫的較重同位素組成的，其目標是使氫達到能聚變形成氦的温度和壓力。這些反應釋放能量，這些能量被自由飛行的中子帶走。用氚（更重的氫同位素）代替某些氘，可使反應自持。這種核聚變可提供豐富的無碳能源，產生的放射性廢物極少。在過去的半個世紀中，這種前景在過去半個世紀裏點亮了PPPL。然而，在2019年10月的一個飄雨的週一清晨，實驗室異常安靜。
在DOE關閉TFTR之後，PPPL研究人員開發了兩種具有不同優勢的，更小更激進的裝置：NSTX和NCSX。NSTX是更常規的設計。傳統的託卡馬克具有甜甜圈的形狀。但是像NSTX這樣的球形圓環類似於一個帶芯的蘋果。2001年，PPPL開始進行另一項名為“國家緊湊型恆星發生器實驗（NCSX）”的工作。然而，到了2008年，也就是它應該完成的一年之後，它的成本幾乎增加了兩倍，達到1.7億美元。 DOE取消了該項目。然後是NSTX升級後的失敗，其目的是使其磁場強度加倍。調查發現，除了線圈短路以外，NSTX還有許多問題。
目前在PPPL，第一項工作是使NSTX重新運行。PPPL研究人員已經開始製造新零件，並計劃在2021年夏季開始運行NSTX。
2018年12月的NASEM的報告敦促美國在2030年代建造一個原型發電廠，作為ITER的繼任者。利用高温超導體制成的強力電磁線圈等創新技術，緊湊型試驗工廠（CPP）將比ITER（一家耗資250億美元的龐然大物）更小，更便宜。建立CPP的呼籲可能有助於填補PPPL的麻煩。
還有錢的問題。NASEM的報告要求在美國進行的聚變研究每年增加2億美元，國會將DOE的聚變能源科學預算從2019財年的5.64億美元增加到今年的6.71億美元。但是所有這些增加將歸功於國際熱核實驗堆（ITER），國會是否會繼續增加核聚變預算還有待觀察。
目前除了國際合作的ITER裝置外，最先進的核聚變試驗裝置就是中國的“環流器2號M”裝置，計劃在2020年投入使用。該裝置的等離子體温度將要達到2億攝氏度。看來，美國PPPL的裝置在未來幾年還會落後於中國。