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作者：崔敏 来源： 发布时间：2018-2-1 15:54:30
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科幻作品里，等离子炮是一种常见的“超级武器”，其原理是利用激光把重氢加热至百万度高温，使之变成等离子态，然后再利用电磁技术，将这团带电的粒子包裹成球状发射出去摧毁目标。
日常生活中，等离子是许多常见设备的主要组成部分，如荧光管；极光和闪电则是少数自然产生的自然等离子体。等离子是物质四态中的一态，通过对气体放电或加热的办法从外界获得足够能量后，气体分子或原子轨道中被束缚的电子便可变为自由电子，形成等离子体——一种气体状物质。
在能源研究方面，人们最感兴趣的等离子体是高性能等离子体，它的温度十分高，因此其粒子有足够高的能量来引起相互间的核聚变——而对于核聚变能源的开发和使用则是人类多年来的梦想。一旦其成为现实，人类将彻底摆脱能源危机。
清洁能源的“火种”
位于美国新泽西州普兰斯堡市福雷斯特校区的普林斯顿等离子体物理实验室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）是一家长期致力于发掘与等离子体物理相关的新知识的研究机构，同时它也为创造聚变能贡献实用的方案。
PPPL由美国能源部科学办公室负责运营管理，由超过500名顶级工程师、研究人员和员工组成。实验室的研究领域包括核聚变实验与理论、基础等离子体科学、等离子体天体物理学、其他物理和工程研究以及对球形托卡马克聚变装置升级版NSTX-U的研究等。
自实验室创办以来，PPPL的研究人员一直尝试建造自己的核聚变反应堆。他们试着通过将一个小区域内离子的数量以及它们尽可能贴近的时间最大化，来使原子之间足够接近。而为了做到这一点，反应堆需加热到远比太阳核心还要高的温度，从而将氢气转化为氢等离子体。接下来，只要强磁场或高能激光将等离子体限制在一个小的可控区域内，聚变就会发生。
1964年，PPPL提出了实验室创立以来第一个等离子体加热的中性束注入计划。在之后的30年里，中性束加热在取得大量聚变能量所需的等离子体条件方面发挥了关键作用。
人造恒星的温室
几千万、几亿摄氏度高温的聚变物质究竟要装在什么容器里，这一直是困扰科学家的难题。
托卡马克最初是由苏联库尔恰托夫研究所的阿齐莫维齐等人于20世纪50年代发明的。它的中央是一个环形的真空室，外面缠绕着线圈。通电时，托卡马克内部会产生巨大的螺旋型磁场，将其中的等离子体加热到很高的温度，以达到核聚变的目的。但常规托卡马克装置体积庞大且效率低，突破难度很大。
在过去的30年里，PPPL一直是利用托卡马克进行磁约束实验的领导者，并不断对此项技术进行钻研改进。
1970年5月1日，美国第一个托卡马克实验始于PPPL的对称托卡马克。1974年，美国国会批准实施托卡马克聚变试验反应堆（TFTR)项目，它也成为世界上第一个用50/50混合氘和氚进行实验的磁核聚变装置。1990年，TFTR在离子温度和聚变能方面创造了世界纪录。
在探索核聚变装置的道路上，PPPL人的字典里没有“尽头”二字。
2015年，在美国能源部科学办公室的资助下，PPPL完成了对球形托卡马克聚变装置NSTX的升级改造。球形托卡马克装置外形如空心苹果，与常规托卡马克装置不同，后者更像是笨重的甜甜圈。改造后球形托卡马克装置的主磁场强度达到原来的2倍，并增加了注射中性原子的第二个端口，给等离子体加热，使其温度将能达到1500万℃，比太阳的温度还高。升级之后，该装置的新名字是NSTX-U。
其实，NSTX-U的诞生和发展，最初可以追溯到PPPL一项有着65年“高龄”的研究。
20世纪50年代，物理学家Lyman Spitzer创建了一个名为“仿星器”的机器，用来仿真恒星内部持续不断的核聚变反应，由此产生并释放出巨大的能量。仿星器是全世界最早期的受控核聚变装置，之后，它便被建造在后来的PPPL。而如今，世界上两个最著名的核聚变反应堆设计——仿星器和托卡马克早已遍布于全球。
如今的NSTX-U使得世界各地的研究人员得以共同探索如何创造核聚变反应，这项任务的本质就是要在地球上创造一颗恒星，为世界带来清洁、可靠、安全、几近无限的能量。
“这是令人兴奋的新领域，我们很高兴能踏上聚变研究的下一个前沿。这一装置可以改变世界，并向我们展示一种方法，让我们可以从聚变能源中获得电力，以供所有人使用。”时任PPPL主任Stewart Prager表示。
当人们还在为PPPL上一项创造鼓掌欢呼时，PPPL却已经大踏步朝着未来迈进了。下一步，实验室将继续对NSTX-U进行研究，以期解决研制下一代核聚变装置所面临的技术问题。■
《科学新闻》 (科学新闻2018年1月刊 实验室)
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