麻省理工學(xué)院10月14日在官網(wǎng)宣布，麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)和聚變研究中心的科學(xué)家和工程師又向受控核聚變的實(shí)現(xiàn)邁進(jìn)了一大步，該校離子體科學(xué)和聚變研究中心的Alcator C-Mod托卡馬克聚變堆在最后一次實(shí)驗(yàn)中創(chuàng)造了一項(xiàng)世界紀(jì)錄——Alcator C-Mod的等離子體壓強(qiáng)超過(guò)了2個(gè)大氣壓。高壓等離子體是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的關(guān)鍵因素，這個(gè)記錄將該裝置自己于2005年創(chuàng)下的最好成績(jī)又提高了15%。

Alcator C-Mod項(xiàng)目的負(fù)責(zé)人、資深科學(xué)家厄爾·馬爾馬（Earl Marmar）將在今天日本東京舉行的國(guó)際原子能機(jī)構(gòu)聚合能大會(huì)（IAEA Fusion Energy Conference）上公布實(shí)驗(yàn)結(jié)果的具體數(shù)據(jù)。

由于具有無(wú)污染、原料幾乎取之不盡（可以直接使用海水）、安全性高并且發(fā)生事故危害較小等優(yōu)點(diǎn)，核聚變長(zhǎng)期以來(lái)一直是人類渴望的“理想能源”。

從上世紀(jì)50年代開始，人類就開始了可控核聚變的相關(guān)研究。

麻省理工學(xué)院的Alcator C-Mod核聚變反應(yīng)堆設(shè)備于1993年投入運(yùn)行，至今已服役23年，按計(jì)劃在美國(guó)東部時(shí)間9月30日關(guān)閉。Alcator C-Mod是利用高強(qiáng)度磁場(chǎng)約束高溫等離子體的托卡馬克反應(yīng)堆，是全球所有聚變反應(yīng)堆中磁場(chǎng)最強(qiáng)、等離子體壓強(qiáng)最高的聚變反應(yīng)堆。

托克馬克（Tokamak）又稱環(huán)磁機(jī)，是一種利用磁約束來(lái)實(shí)現(xiàn)磁約束聚變的環(huán)性容器，同時(shí)也是用于生產(chǎn)受控?zé)岷撕司圩兡苤械囊粋€(gè)最深入研究的候選類型。托卡馬克這個(gè)詞源于俄語(yǔ)單詞токамак，是環(huán)形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）四個(gè)單詞的縮寫。

在最后一次運(yùn)行中，Alcator C-Mod等離子體高壓突破其前世界紀(jì)錄，再創(chuàng)新高，華麗謝幕。等離子體壓強(qiáng)是核聚變反應(yīng)產(chǎn)能的關(guān)鍵因素，MIT最新的實(shí)驗(yàn)結(jié)果首次達(dá)到超過(guò)兩個(gè)大氣壓，為人類創(chuàng)造更加清潔、安全的能源帶來(lái)嶄新希望。

50多年前，理論物理學(xué)家已經(jīng)證明，若要在地球?qū)崿F(xiàn)可控核聚變，那么等離子體必須滿足三個(gè)條件：

溫度必須高于5千萬(wàn)攝氏度；

必須在高壓下保持穩(wěn)定；

必須被約束在一個(gè)特定的空間中。

這三個(gè)條件再落實(shí)到具體參數(shù)細(xì)節(jié)上，就是等離子體的粒子密度、約束時(shí)間和溫度這三個(gè)參數(shù)的乘積必須不低于某個(gè)閾值（也叫作“triple product”）。達(dá)到該閾值后，拘束核聚變才能產(chǎn)生正能量輸出，即釋放的能量大于所消耗的能量。由于壓強(qiáng)是密度和溫度的乘積，因此，輸出能量的大小和它的平方成正比，也就是說(shuō)，壓強(qiáng)達(dá)到原來(lái)的2倍，釋放的能量會(huì)達(dá)到原來(lái)的4倍。基于這個(gè)原因，壓強(qiáng)成了可控核聚變的關(guān)鍵指標(biāo)之一。

在Alcator C-Mod托卡馬克聚變實(shí)驗(yàn)裝置23年的服務(wù)生涯中，它已經(jīng)多次刷新了磁約束聚變等離子體壓強(qiáng)的世界記錄。2005年，阿爾卡特C型裝置制造了1.77個(gè)大氣壓的世界記錄。

如今，2.05個(gè)大氣壓世界記錄又在2005年記錄的基礎(chǔ)上提高了15%，對(duì)應(yīng)的溫度達(dá)到3500萬(wàn)攝氏度，是太陽(yáng)核心溫度的2倍。

Alcator C-Mod裝置是世界上第三臺(tái)強(qiáng)磁場(chǎng)托卡馬克，具有世界唯一的先進(jìn)腔體結(jié)構(gòu)，屬于緊湊型強(qiáng)磁場(chǎng)核聚變托卡馬克裝置。Alcator C-Mod裝置中的等離子體每秒發(fā)生300萬(wàn)億次聚變反應(yīng)，其中心的磁場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)到5.7特斯拉（地球磁場(chǎng)的11.5萬(wàn)倍）。等離子體中的電流強(qiáng)度達(dá)到140萬(wàn)安培，等離子中的核聚變功率高達(dá)400萬(wàn)瓦。等離子體的體積只有1立方米，持續(xù)時(shí)間為2整秒。

相較于其他體積相仿的非托卡馬克磁約束聚變系統(tǒng)，Alcator C-Mod裝置的磁場(chǎng)強(qiáng)度要大出50倍，而對(duì)比于其他托卡馬克裝置，它的等離子體壓強(qiáng)則至少高出70%。

結(jié)果喜人，The Alcator C-Mod課題組歡騰一片

唯一有可能打破Alcator C-Mod裝置記錄的是在建中的國(guó)際熱核聚變實(shí)驗(yàn)堆（ITER）。

ITER同為托卡馬克裝置，容積比AlcatorC-Mod裝置大800倍，但是磁場(chǎng)卻不如AlcatorC-Mod裝置強(qiáng)。根據(jù)美國(guó)能源部的最新報(bào)告，ITER在2036年投入使用后，預(yù)期能產(chǎn)生2.6個(gè)大氣壓的等離子體，換句話說(shuō)，現(xiàn)在這個(gè)記錄，至少還可以保持15年。

此外，Alcator C-Mod裝置自運(yùn)行至今，始終作為能源實(shí)驗(yàn)的核心，成就了成百上千的科學(xué)家和工程師，啟發(fā)了將近200篇相關(guān)博士論文、項(xiàng)目合作以及科學(xué)突破。可以說(shuō)，Alcator C-Mod是一整代等離子科學(xué)家的訓(xùn)練場(chǎng)。

然而，盡管Alcator C-Mod裝置在聚變研究中做出了輝煌的貢獻(xiàn)，它也受困于“巧婦難為無(wú)米之炊”——2012年，其主管部門美國(guó)能源部決定，為了給ITER項(xiàng)目騰出資金，在國(guó)會(huì)的最后一筆為期三年的資助在今年9月30日到期后，Alcator C-Mod裝置必須關(guān)閉。

一直以來(lái)，政府官員在是否支持核聚變研究上爭(zhēng)論不休。白宮希望2017年財(cái)政部4.38億美元的聚變科學(xué)項(xiàng)目總預(yù)算削減9.2%。參議院甚至想要進(jìn)一步削減至2.8億美元，但是要求保持ITER項(xiàng)目投資不變，將經(jīng)費(fèi)重分配給其他能源項(xiàng)目。由此看來(lái)，想要在核聚變能源項(xiàng)目上達(dá)成預(yù)算一致，美國(guó)立法者還要忙活幾個(gè)月。

Alcator C-Mod實(shí)驗(yàn)室一角

并未謝幕，或?qū)M血復(fù)活

厄爾·馬爾馬（Earl Marmar）從2002年起開始擔(dān)任Alcator C-Mod項(xiàng)目負(fù)責(zé)人，在他的指揮下，Alcator C-Mod托卡馬克反應(yīng)堆“馬力全開、奮力沖刺，并從未退縮”。

馬爾馬說(shuō)：“最后幾年，我們確實(shí)加了把勁。結(jié)果，我們獲得了新的結(jié)果，并且沒(méi)有損壞設(shè)備。即便此刻，我們依舊有許多新的想法等待實(shí)施，C-Mod時(shí)代結(jié)束尚早。”

據(jù)馬爾馬稱，“政府提供資金支持保證C-Mod處于安全關(guān)閉狀態(tài)。雖然目前并沒(méi)有計(jì)劃，但或許將來(lái)某個(gè)時(shí)機(jī)，C-Mod會(huì)滿血復(fù)活。目前，我們正超新的方向努力。”

丹尼斯·懷特（Dennis Whyte）是等離子體科學(xué)和聚變研究中心主任，同時(shí)也是麻省理工核能科學(xué)和工程系主任。他也表示：“雖然目前我們正在尋求其他合作，但沒(méi)有任何地方像C-Mod一樣有家的感覺(jué)。但是，我們會(huì)竭盡所能，將這里學(xué)習(xí)和積累的經(jīng)驗(yàn)用在其他托卡馬克設(shè)備上。”

Alcator C-Mod的收官運(yùn)行，讓所有人驚艷——再次打破極限，創(chuàng)下磁場(chǎng)約束高溫等離子體壓強(qiáng)的最新世界紀(jì)錄。C-Mod設(shè)備中高溫等離子體壓強(qiáng)高達(dá)2.05大氣壓，比世界上任何其他托卡馬克反應(yīng)堆的表現(xiàn)優(yōu)異將近一倍！

懷特說(shuō)：“關(guān)鍵的不同之處還在于C-Mod的運(yùn)行技術(shù)：高強(qiáng)度磁場(chǎng)。C-Mod的完美表現(xiàn)，足以證明高強(qiáng)度磁場(chǎng)核聚變科學(xué)已經(jīng)蓄勢(shì)待發(fā)。即便是ITER這樣耗資巨大的工程，目標(biāo)也僅僅是獲得2.8個(gè)大氣壓，并且是20年后的目標(biāo)！”

當(dāng)麻省理工學(xué)院正為其空前的成功歡呼雀躍時(shí)，普林斯頓大學(xué)的核聚變科學(xué)家卻有些憂傷。早些時(shí)候，他們剛升級(jí)的核反應(yīng)堆因?yàn)榫€圈故障而被勒令下線一年之久。

由此一來(lái)，美國(guó)目前只剩下一個(gè)主要的核聚變反應(yīng)堆尚在運(yùn)行，這是核聚變科學(xué)發(fā)展的又一個(gè)挑戰(zhàn)。

Alcator C-Mod實(shí)驗(yàn)室一角

但是懷特教授信心滿滿：“我們集聚了不可思議的核聚變科學(xué)家和工程師團(tuán)隊(duì)，C-Mod實(shí)驗(yàn)室培養(yǎng)的開闊思維以及協(xié)作精神將繼續(xù)發(fā)揮作用，培養(yǎng)的學(xué)生正在繼續(xù)研究并嘗試實(shí)用化。每個(gè)人都激動(dòng)不已，我們希望樂(lè)觀精神一直都在。我們要放眼整個(gè)世界，加速核聚變科學(xué)的發(fā)展。”

核聚變科學(xué)發(fā)源于MIT

麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心（Plasma Science and Fusion Center）副主任馬丁·格林沃德（Martin Greenwald）正在努力申請(qǐng)新的項(xiàng)目。格林沃德說(shuō)：“C-Mod的關(guān)閉只是章節(jié)性的結(jié)束，新的篇章即將開啟。設(shè)備都有生命周期，它們運(yùn)行的時(shí)候，我們做研究；關(guān)閉的時(shí)候，我們?nèi)匀灰^續(xù)做研究。”

格林沃德稱，當(dāng)今聚變科學(xué)領(lǐng)域許多最有影響力的概念都發(fā)源于MIT。早在1971年，首部申請(qǐng)專利的Alcator反應(yīng)堆設(shè)備就已經(jīng)聚焦于研究高強(qiáng)度磁場(chǎng)聚變方法。格林沃德說(shuō)：“當(dāng)時(shí)我們的磁場(chǎng)研究組發(fā)明實(shí)現(xiàn)超導(dǎo)磁體的方法，基本上成為今天聚變科學(xué)默認(rèn)的基礎(chǔ)，應(yīng)用于各大核聚變?cè)O(shè)備。而現(xiàn)在，我們想繼續(xù)推進(jìn)磁體技術(shù)發(fā)展。”

如果要進(jìn)行核聚變反應(yīng)，首先就必須提高物質(zhì)的溫度，使原子核和電子分開，處于這種狀態(tài)的物質(zhì)稱為“等離子體”（plasma）。這種溫度需要超過(guò)1億℃，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于太陽(yáng)核心的溫度。這種情況下，磁場(chǎng)是將高溫等離子體與反應(yīng)堆墻壁隔離的唯一可靠方法。格林沃德說(shuō)：“目前，我們已經(jīng)在C-Mod上獲得了必要的等離子濃度和溫度，但是由于Alcator反應(yīng)堆相對(duì)較小，產(chǎn)生能量和消耗能量相當(dāng)。”

目前，核聚變科學(xué)家的研究重心都在于尋找一種使聚變反應(yīng)堆獲得能源凈產(chǎn)出的方法。建設(shè)類似ITER的巨型托卡馬克反應(yīng)堆設(shè)備需要極大的付出，目前ITER項(xiàng)目的國(guó)際總支出已超過(guò)500億美元，是原來(lái)預(yù)計(jì)的10倍。預(yù)計(jì)2027年之前還不能進(jìn)行能源實(shí)驗(yàn)，這已經(jīng)落后計(jì)劃10年之久。

然而，格林沃德稱或許另有他法。

格林沃德指的是麻省理工學(xué)院的“ARC核聚變反應(yīng)堆”，ARC的名字來(lái)源于科幻電影《鋼鐵俠》“Affordable（經(jīng)濟(jì)），Robust（強(qiáng)勁），Compact（簡(jiǎn)潔）”。ARC反應(yīng)堆是更依賴于先進(jìn)的材料和磁場(chǎng)技術(shù)的小型、模塊化反應(yīng)堆，甚至能夠縮減至大型反應(yīng)堆尺寸和預(yù)算的十分之一。

當(dāng)然，想要開始ARC的研究和實(shí)驗(yàn)，麻省理工學(xué)院需要尋求私人資助。

高級(jí)偏向器試驗(yàn)（Advanced Diverter Experiment，ADX）是MIT的另一個(gè)項(xiàng)目，其大小和C-Mod相近，但設(shè)計(jì)卻不同。ADX將幫助研究者掌握更多聚變環(huán)境下高溫等離子體行為、等離子體與材料表面的相互作用以及結(jié)構(gòu)材料的行為等，以便解決核聚變?cè)囼?yàn)中遇到的關(guān)鍵問(wèn)題。麻省理工學(xué)院現(xiàn)已經(jīng)提請(qǐng)能源部給予ADX資助。

Alcator C-Mod實(shí)驗(yàn)室一角

年輕的創(chuàng)新主力

十年前，丹尼斯·懷特正是奔著核聚變項(xiàng)目來(lái)到麻省理工學(xué)院，或者更具體來(lái)說(shuō)，懷特看到MIT的學(xué)生能在世界頂尖的聚變反應(yīng)堆設(shè)備上學(xué)以致用、動(dòng)手實(shí)踐。

懷特現(xiàn)任麻省理工學(xué)院核科學(xué)與工程系主任，并兼任PSFC主任。他說(shuō)：“如今，C-Mod一線試驗(yàn)人員大約1/3是學(xué)生，年輕人是創(chuàng)新的主力，他們反思舊理論并為聚變科學(xué)領(lǐng)域注入新的創(chuàng)新力量，他們引領(lǐng)著現(xiàn)代研究方法的發(fā)展。”

懷特團(tuán)隊(duì)的年輕化正表明了這一點(diǎn)，17個(gè)人中9個(gè)年齡都在40歲以下。懷特說(shuō)：“新一代年輕的核聚變科學(xué)家的創(chuàng)新動(dòng)力是無(wú)限的。僅僅在幾年前，我們覺(jué)得還不能獲得能源凈產(chǎn)出。但好像突然間，我們就有了機(jī)會(huì)發(fā)明更簡(jiǎn)潔、高效的反應(yīng)堆設(shè)備。”這實(shí)際上得益于新一代超導(dǎo)材料以及Alcator C-Mod開拓的新設(shè)計(jì)方法的發(fā)展，更加確定了使用高強(qiáng)磁場(chǎng)來(lái)實(shí)現(xiàn)聚變能源的優(yōu)勢(shì)。

“這就是麻省理工學(xué)院偉大的原因。這里集聚這充滿創(chuàng)造力的年輕人，這里賦予他們重新思考和大膽嘗試的活力，驅(qū)動(dòng)他們通過(guò)奉獻(xiàn)和天賦讓世界變得更加美好。并且，他們也做到了。”

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