核电的最大问题或许有一个小小的解决办法

几十年来，如果你让核聚变科学家想象核聚变反应堆的模样，他们可能会告诉你托卡马克。托卡马克是一个房间大小的容器，形状像一个空心甜甜圈。物理学家在托卡马克的内部填充了过热等离子体这种味道并不怎么好的东西。然后他们用磁铁围绕托卡马克，希望像太阳一样将原子挤压在一起产生能量。

但专家认为，托卡马克可以做成其他形状。有些人认为，让托卡马克变得更小、更精简，可以更好地处理等离子体。如果核聚变科学家的提议是正确的，那么这可能是核能期待已久的升级。得益于最近的研究和新提出的反应堆项目，该领域正在认真考虑使用“球形托卡马克”发电。

普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文·考利说：“迄今为止的实验表明，（球形托卡马克）可能能够更好地限制等离子体，从而制造出更好的聚变反应堆。”

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如果你想知道核聚变是如何工作的，它和太阳产生热和光的过程是一样的。如果你能推动某些类型的氢原子克服电磁力，将它们分开，然后将它们挤压在一起，你就能得到氦和大量的能量——而且几乎没有污染或碳排放。

这听起来确实很棒。问题是，要迫使原子聚集在一起并发生上述反应，你需要在持续的时间内达到数百万度的高温。这是一个很难达到的基准，也是核聚变的圣杯——产生的能量大于投入的能量的反应，也称为盈亏平衡——仍然难以实现的原因之一。

理论上，托卡马克是实现这一目标的一种方式。其理念是，通过用排列在甜甜圈外壳上的强力电磁铁精心塑造等离子体，核聚变科学家可以保持超热反应的进行。但托卡马克自 20 世纪 50 年代以来就一直在使用，尽管人们对其一直持乐观态度，但它们从未能够以他们需要的方式塑造等离子体，以实现其承诺。

但是，还有另一种在托卡马克之外产生聚变的方法，称为惯性约束聚变 (ICF)。为此，你需要取一粒沙粒大小的氢丸，将其放在一个特殊的容器内，用激光束轰击它，让产生的冲击波扰动丸的内部，从而启动聚变。去年，加州的 ICF 反应堆比任何人都更接近这一能量里程碑。不幸的是，自那以后的一年里，物理学家们一直没能再次制造出闪光。

类似这样的故事表明，如果有替代方法，研究人员会毫不犹豫地尝试它。

缩小托卡马克体积的想法出现于 20 世纪 80 年代，当时理论物理学家通过计算机模拟提出，比传统托卡马克更紧凑的形状可以更有效地处理等离子体。

不久之后，英国卡勒姆聚变能源中心和新泽西州普林斯顿大学的团队开始测试该设计。考利说：“结果几乎立刻就非常好。”这不是物理学家对每个新室设计都能说的话。

尽管名字叫球形托卡马克，但它并不是真正的球体：它更像一颗没有壳的花生。支持者认为，这种形状有几个关键优势。较小的尺寸允许磁铁更靠近等离子体，从而减少实际为其供电所需的能量（和成本）。在整个反应过程中，等离子体在球形托卡马克中也趋于更稳定地运行。

但托卡马克也有缺点。在标准托卡马克中，腔体中间的环形孔包含一些重要的电磁铁，以及为磁铁供电和支撑磁铁所需的线路和组件。缩小托卡马克的尺寸会将这个空间缩小到像苹果核一样，这意味着配件也需要缩小以匹配。“将所有东西都塞进中间狭窄的孔中的技术相当困难，”考利说。“我们在这方面有过一些失败的开端。”

除了安装问题之外，将这些部件放置在更靠近高温等离子体的地方往往会使其磨损得更快。在幕后，研究人员正在制造新部件来解决这些问题。在普林斯顿大学，一个研究小组将这些磁铁缩小，并用没有传统绝缘材料的特殊电线包裹它们，这需要经过昂贵且容易出错的特殊处理才能适应聚变反应堆的恶劣条件。这一进展并不能解决所有问题，但它是一个渐进的步骤。

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其他人则梦想着走得更远。实验托卡马克世界目前正在为 ITER 做准备，这是一座创纪录容量的试验反应堆，自 1980 年代开始建设，并将于本十年在法国南部最终完工。它有望为 2040 年代可行的核聚变发电铺平道路。

与此同时，核聚变科学家已经在英国设计了非常类似的装置，即用于发电的球形托卡马克装置（STEP）。该装置还远未完工——最乐观的计划是，它要到 2030 年代中期才能开始建造，到 2040 年左右才能开始发电——但这表明工程师们非常重视球形托卡马克装置的设计。

“我们总是要问自己：‘如果我今天要建造一座反应堆，我会建造什么？’”考利说。他认为，球形托卡马克开始进入这个方程式。