麻省理工學院10月14日在官網宣布，麻省理工學院等離子體科學和聚變研究中心的科學家和工程師又向受控核聚變的實現邁進了一大步，該校離子體科學和聚變研究中心的Alcator C-Mod托卡馬克聚變堆在最后一次實驗中創造了一項世界紀錄——Alcator C-Mod的等離子體壓強超過了2個大氣壓。高壓等離子體是實現可控核聚變的關鍵因素，這個記錄將該裝置自己于2005年創下的最好成績又提高了15%。

Alcator C-Mod項目的負責人、資深科學家厄爾·馬爾馬（Earl Marmar）將在今天日本東京舉行的國際原子能機構聚合能大會（IAEA Fusion Energy Conference）上公布實驗結果的具體數據。

由于具有無污染、原料幾乎取之不盡（可以直接使用海水）、安全性高并且發生事故危害較小等優點，核聚變長期以來一直是人類渴望的“理想能源”。

從上世紀50年代開始，人類就開始了可控核聚變的相關研究。

麻省理工學院的Alcator C-Mod核聚變反應堆設備于1993年投入運行，至今已服役23年，按計劃在美國東部時間9月30日關閉。Alcator C-Mod是利用高強度磁場約束高溫等離子體的托卡馬克反應堆，是全球所有聚變反應堆中磁場最強、等離子體壓強最高的聚變反應堆。

托克馬克（Tokamak）又稱環磁機，是一種利用磁約束來實現磁約束聚變的環性容器，同時也是用于生產受控熱核核聚變能中的一個最深入研究的候選類型。托卡馬克這個詞源于俄語單詞токамак，是環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）四個單詞的縮寫。

在最后一次運行中，Alcator C-Mod等離子體高壓突破其前世界紀錄，再創新高，華麗謝幕。等離子體壓強是核聚變反應產能的關鍵因素，MIT最新的實驗結果首次達到超過兩個大氣壓，為人類創造更加清潔、安全的能源帶來嶄新希望。

50多年前，理論物理學家已經證明，若要在地球實現可控核聚變，那么等離子體必須滿足三個條件：

溫度必須高于5千萬攝氏度；

必須在高壓下保持穩定；

必須被約束在一個特定的空間中。

這三個條件再落實到具體參數細節上，就是等離子體的粒子密度、約束時間和溫度這三個參數的乘積必須不低于某個閾值（也叫作“triple product”）。達到該閾值后，拘束核聚變才能產生正能量輸出，即釋放的能量大于所消耗的能量。由于壓強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，壓強達到原來的2倍，釋放的能量會達到原來的4倍。基于這個原因，壓強成了可控核聚變的關鍵指標之一。

在Alcator C-Mod托卡馬克聚變實驗裝置23年的服務生涯中，它已經多次刷新了磁約束聚變等離子體壓強的世界記錄。2005年，阿爾卡特C型裝置制造了1.77個大氣壓的世界記錄。

如今，2.05個大氣壓世界記錄又在2005年記錄的基礎上提高了15%，對應的溫度達到3500萬攝氏度，是太陽核心溫度的2倍。

Alcator C-Mod裝置是世界上第三臺強磁場托卡馬克，具有世界唯一的先進腔體結構，屬于緊湊型強磁場核聚變托卡馬克裝置。Alcator C-Mod裝置中的等離子體每秒發生300萬億次聚變反應，其中心的磁場強度達到5.7特斯拉（地球磁場的11.5萬倍）。等離子體中的電流強度達到140萬安培，等離子中的核聚變功率高達400萬瓦。等離子體的體積只有1立方米，持續時間為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，Alcator C-Mod裝置的磁場強度要大出50倍，而對比于其他托卡馬克裝置，它的等離子體壓強則至少高出70%。

結果喜人，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際熱核聚變實驗堆（ITER）。

ITER同為托卡馬克裝置，容積比AlcatorC-Mod裝置大800倍，但是磁場卻不如AlcatorC-Mod裝置強。根據美國能源部的最新報告，ITER在2036年投入使用后，預期能產生2.6個大氣壓的等離子體，換句話說，現在這個記錄，至少還可以保持15年。

此外，Alcator C-Mod裝置自運行至今，始終作為能源實驗的核心，成就了成百上千的科學家和工程師，啟發了將近200篇相關博士論文、項目合作以及科學突破。可以說，Alcator C-Mod是一整代等離子科學家的訓練場。

然而，盡管Alcator C-Mod裝置在聚變研究中做出了輝煌的貢獻，它也受困于“巧婦難為無米之炊”——2012年，其主管部門美國能源部決定，為了給ITER項目騰出資金，在國會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裝置必須關閉。

一直以來，政府官員在是否支持核聚變研究上爭論不休。白宮希望2017年財政部4.38億美元的聚變科學項目總預算削減9.2%。參議院甚至想要進一步削減至2.8億美元，但是要求保持ITER項目投資不變，將經費重分配給其他能源項目。由此看來，想要在核聚變能源項目上達成預算一致，美國立法者還要忙活幾個月。

Alcator C-Mod實驗室一角

并未謝幕，或將滿血復活

厄爾·馬爾馬（Earl Marmar）從2002年起開始擔任Alcator C-Mod項目負責人，在他的指揮下，Alcator C-Mod托卡馬克反應堆“馬力全開、奮力沖刺，并從未退縮”。

馬爾馬說：“最后幾年，我們確實加了把勁。結果，我們獲得了新的結果，并且沒有損壞設備。即便此刻，我們依舊有許多新的想法等待實施，C-Mod時代結束尚早。”

據馬爾馬稱，“政府提供資金支持保證C-Mod處于安全關閉狀態。雖然目前并沒有計劃，但或許將來某個時機，C-Mod會滿血復活。目前，我們正超新的方向努力。”

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

Alcator C-Mod的收官運行，讓所有人驚艷——再次打破極限，創下磁場約束高溫等離子體壓強的最新世界紀錄。C-Mod設備中高溫等離子體壓強高達2.05大氣壓，比世界上任何其他托卡馬克反應堆的表現優異將近一倍！

懷特說：“關鍵的不同之處還在于C-Mod的運行技術：高強度磁場。C-Mod的完美表現，足以證明高強度磁場核聚變科學已經蓄勢待發。即便是ITER這樣耗資巨大的工程，目標也僅僅是獲得2.8個大氣壓，并且是20年后的目標！”

當麻省理工學院正為其空前的成功歡呼雀躍時，普林斯頓大學的核聚變科學家卻有些憂傷。早些時候，他們剛升級的核反應堆因為線圈故障而被勒令下線一年之久。

由此一來，美國目前只剩下一個主要的核聚變反應堆尚在運行，這是核聚變科學發展的又一個挑戰。

Alcator C-Mod實驗室一角

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家和工程師團隊，C-Mod實驗室培養的開闊思維以及協作精神將繼續發揮作用，培養的學生正在繼續研究并嘗試實用化。每個人都激動不已，我們希望樂觀精神一直都在。我們要放眼整個世界，加速核聚變科學的發展。”

核聚變科學發源于MIT

麻省理工學院等離子體科學與聚變中心（Plasma Science and Fusion Center）副主任馬丁·格林沃德（Martin Greenwald）正在努力申請新的項目。格林沃德說：“C-Mod的關閉只是章節性的結束，新的篇章即將開啟。設備都有生命周期，它們運行的時候，我們做研究；關閉的時候，我們仍然要繼續做研究。”

格林沃德稱，當今聚變科學領域許多最有影響力的概念都發源于MIT。早在1971年，首部申請專利的Alcator反應堆設備就已經聚焦于研究高強度磁場聚變方法。格林沃德說：“當時我們的磁場研究組發明實現超導磁體的方法，基本上成為今天聚變科學默認的基礎，應用于各大核聚變設備。而現在，我們想繼續推進磁體技術發展。”

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

目前，核聚變科學家的研究重心都在于尋找一種使聚變反應堆獲得能源凈產出的方法。建設類似ITER的巨型托卡馬克反應堆設備需要極大的付出，目前ITER項目的國際總支出已超過500億美元，是原來預計的10倍。預計2027年之前還不能進行能源實驗，這已經落后計劃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院的“ARC核聚變反應堆”，ARC的名字來源于科幻電影《鋼鐵俠》“Affordable（經濟），Robust（強勁），Compact（簡潔）”。ARC反應堆是更依賴于先進的材料和磁場技術的小型、模塊化反應堆，甚至能夠縮減至大型反應堆尺寸和預算的十分之一。

當然，想要開始ARC的研究和實驗，麻省理工學院需要尋求私人資助。

高級偏向器試驗（Advanced Diverter Experiment，ADX）是MIT的另一個項目，其大小和C-Mod相近，但設計卻不同。ADX將幫助研究者掌握更多聚變環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構材料的行為等，以便解決核聚變試驗中遇到的關鍵問題。麻省理工學院現已經提請能源部給予ADX資助。

Alcator C-Mod實驗室一角

年輕的創新主力

十年前，丹尼斯·懷特正是奔著核聚變項目來到麻省理工學院，或者更具體來說，懷特看到MIT的學生能在世界頂尖的聚變反應堆設備上學以致用、動手實踐。

懷特現任麻省理工學院核科學與工程系主任，并兼任PSFC主任。他說：“如今，C-Mod一線試驗人員大約1/3是學生，年輕人是創新的主力，他們反思舊理論并為聚變科學領域注入新的創新力量，他們引領著現代研究方法的發展。”

懷特團隊的年輕化正表明了這一點，17個人中9個年齡都在40歲以下。懷特說：“新一代年輕的核聚變科學家的創新動力是無限的。僅僅在幾年前，我們覺得還不能獲得能源凈產出。但好像突然間，我們就有了機會發明更簡潔、高效的反應堆設備。”這實際上得益于新一代超導材料以及Alcator C-Mod開拓的新設計方法的發展，更加確定了使用高強磁場來實現聚變能源的優勢。

“這就是麻省理工學院偉大的原因。這里集聚這充滿創造力的年輕人，這里賦予他們重新思考和大膽嘗試的活力，驅動他們通過奉獻和天賦讓世界變得更加美好。并且，他們也做到了。”

（本文首發于DeepTech深科技，微信公眾號：mit-tr，澎湃新聞經授權后轉載）