模仿星星的你：“人造太阳”进入点火倒计时

对核聚变能有所了解的人，可能都听说过托卡马克(Tokamak)。这个形状类似甜甜圈的装置将等离子体(离子化气体)约束在磁场中的同时可以将它加热到氢原子核聚变所需要的惊人温度。简单点说，托卡马克就是核聚变的载体。它的特点是硬实、对称以及容易操控。上世纪50年代，第一台托卡马克装置在原苏联库尔恰托夫原子能研究所建成，但几十年来它的相关工程进展却一直非常缓慢。

如今，托卡马克的终结者即将诞生了。在德国东北角的一个实验室里，研究者们正准备将一台称为“仿星器”(Stellarator)的核聚变装置点燃。这台价值10亿欧元的机器，名为Wendelstein 7-X(W7-X)。16米宽的闪闪发亮的大圆环，上面插满了各种形状和大小的元器件，还有数不清的线缆缠绕其中，看起来像《星球大战》中Han Solo驾驶的“千年鹰号”(Millennium Falcon)，在穿越帝国舰队的火线后被拖去了修理。其内部是50个6吨的磁线圈，像被进击的巨人踩踏过似的，有些扭曲。

尽管仿星器在原理上类似于托卡马克，它却一直被托卡马克的光芒所掩盖。因为托卡马克能更好地约束反应气体，以及保持核聚变反应需要的热度。但略带达利风的仿星器所具备的优点，使它更有可能成为民用核聚变反应设备。开启之后，仿星器能达到一个稳定工作态，不会产生困扰托卡马克的金属弯曲磁场中断。但它的缺点也很明显，太!难!造!了!

W7-X可能会是一个转折点。这台机器在Thomas Klinger领导的马普等离子物理研究所里静候着当局批准在这个月启动点火。如果W7-X能够在性能上赶超同样尺寸的托卡马克的话，那么全世界的科学家们可能不得不重新考虑他们未来的研究方向了。从事托卡马克的研究人员也在纠结地等待着结果。

图1：W7-X是第一个大尺寸优化仿星器，建造过程花了110万个工时，用了能想到的最复杂的工程模型来保证它能承受极高的温度和极大的应力。

和其他核聚变装置一样，仿星器面临着同样的挑战：它必须能够加热到并且保持在1亿摄氏度的超高温，这个温度是太阳核心的7倍。现在你就知道它为什么叫仿星器了吧。如此高的温度能使电子脱离原子，产生电子和离子形成的等离子体，并使离子快速移动来克服相互之间的引力和斥力。普通的容器是不可能容纳约束这样高温的气体的。高温气体被装在这么一个”磁笼“容器里。通电的线圈缠绕在圆管上产生指向圆筒的中心的磁场，从而把等离子体驱离筒壁。为了防止等离子体从筒的两端逃逸，科学家们把装置设计成甜甜圈状的圆筒封闭结构。但是甜甜圈设计也有另一个问题：因为甜甜圈的内环线圈会更紧密，所以磁场在内环要强过外环位置。这个失衡会使粒子漂离中心而撞击筒壁。解决的办法是在甜甜圈上加上一些扭曲的设计，使移动的粒子会相间地经过高磁场和低磁场，而使这两者效果相抵消。

仿星器的设计是从外部加入这种扭曲。1951年普林斯顿大学的天体物理学家Lyman Spitzer发明的第一个仿星器是将这个甜甜圈圆筒扭曲成数字8的形状。而在50年代由苏联发明的托卡马克中，这种扭曲来自内部。这两种种方法都行得通，但是托卡马克能更好地约束等离子体。

但是托卡马克存在着“致命”的缺陷。它只能在等离子体中产生脉冲式的电流，因此并不适合商用。而且在等离子体中的电流也会突然衰退，引发中断。等离子体约束的突然失效会让失控的磁场力击毁整个反应堆。这样的缺陷在最新的球形托卡马克设计上依然存在。仿星器从根本上避免了这个问题。它的磁场完全来自于外部的线圈，也不需要使用脉冲模式，而且没有会突然中断的等离子体电流。

目前，最大的可工作仿星器是位于日本土岐的大螺旋装置(Large Helical Device, LHD)，它从1998年开始运行，是传统仿星器的演化版。LHD保持着仿星器性能的大多数记录，性能上接近相同大小的托卡马克。

来自德国马普所的Jürgen Nührenberg 和 Allen Boozer (现任职哥伦比亚大学)算出一种比LHD更好的设计，使用固定强度但是方向改变的磁场来约束等离子体。这个准对称磁场能够完美捕捉约束离子。这个设计不仅可以让人们随意关闭装置，还能将损耗控制在一个理想的程度上。理论上，这个设计可以让仿星器达到托卡马克的性能表现。

经过部分优化的仿星器Wendelstein 7-AS在德国慕尼黑附近的马普所建成，于1988年到2002年间运行。它打破了当时同样大小的所有其他仿星器的记录。而威斯康辛大学麦迪逊分校的研究人员从1993年开始建造第一个全优化的仿星器。这个小型的机器称为螺旋对称实验(Helically Symmetric Experiment, HSX)，1999年开始运行。

HSX的成功给美国研究人员带来了巨大的信心，他们决定建造一个更大的仿星器。普林斯顿等离子物理实验室2004年开始建造National Compact Stellarator Experiment (NCSX)，它的优化思路不同于马普所。以毫米的精度将那些复杂的零件组装起来的过程当中，由于成本失控导致工期延后。到2008年，这一项目不得不被终止，尽管当时的进度接近了80%。

图2：以毫米精度组装起来的W7-X。所有的焊接由计算机控制，由激光扫描检测的。

德国的W7-X项目初期进展顺利。1993年到1994年间，马普所在前东德地区的Greifswald成立了一个新的研究分部来建造这台仿星器。马普所的50个成员从Garching 搬到了800公里外的 Greifswald。目前，该项目的员工总数已经达到400人。W7-X最初计划于2006年启动，最初预算为5.5亿欧元。

但W7-X很快也面临问题了。425吨的超导磁体及支撑结构必须冷却到接近绝对零度。用液氦来冷却巨型磁体的难度是难以想象的。所有的器件必须在低温下工作良好，不能有丝毫泄露。在这些形状奇怪的磁体间，工程师须利用250个通道来填装和卸载燃料，加热等离子体以及架设观测诊断设备。所有这一切都需要复杂的3D建模。

到2003年，W7-X供应商提供的大约三分之一的磁体零件都不合格。由于反应堆上的应力要大过之前的计算，零件不合格会导致装置解体，所以一些主要零件需要重新设计。2003年到2007年间，整个项目差点遭遇被取消的厄运。在政府研究部门的官员努力争取下，这个项目才得以保全，但总预算被限制在10.6亿欧元以内，而且第一次试机必须在2015年内完成。

在花费了110万工时之后，Greifswald研究所在2014年5月完成了机器组装。在过去一年内进行的各种调试检测都表现良好，电子束测试显示反应器内的磁场形状是完美的。

德国原子能机构预计很快将批准试验。当等离子体充满W7-X时，考验才真正开始。研究人员会看它怎样达到和经受住热度。关键还要看能量约束时间，以及等离子体释放能量的指标。

如果试验成功，就意味着人类核聚变的历史发展进程即将被改变!