聚变核电最大的问题有一个最小的解决方案

几十年来，如果你让一位聚变科学家想象一个聚变反应堆，他们可能会告诉你一个托卡马克。这是一个大房间大小的装置，形状像一个空心甜甜圈。

物理学家用不那么美味的过热等离子体填充它的内部。然后他们用磁铁包围它，希望将原子粉碎在一起，像太阳一样产生能量。

但专家认为你可以制作其他形状的托卡马克。一些人认为，使托卡马克更小、更精简将使它们能够更好地处理等离子体。

如果提出它的聚变科学家是正确的，它可能是期待已久的核聚变装置的大升级。

由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”来发电。

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，球形托卡马克可以更好地限制等离子体，从而产生更好的聚变反应堆。”

如果你想知道聚变能是如何工作的，它与太阳用来产生热量和光的原理相同。如果你可以通过电磁力推动某些类型的氢原子，将它们分开并将它们糅合在一起，你就会得到氦气和大量能量，而且几乎没有污染或碳排放。

听起来真的很好。问题是，为了迫使原子聚集在一起并使上述反应发生，你需要在一段持续的时间内达到数百万度的温度。这是一个困难的事情，也是聚变的圣杯——一种产生的能量比你投入的更多的反应，也称为盈亏平衡和增益——仍然难以捉摸的原因之一。

从理论上讲，托卡马克是实现它的一种方法。这个想法是，通过在甜甜圈壳上使用强大的电磁体仔细雕刻等离子体，聚变科学家可以保持这种过热反应继续进行。但托卡马克自 1950 年代以来一直在使用，尽管乐观，但他们从未能够以兑现承诺所需的方式塑造等离子体。

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）。要做到这一点，你需要一个沙粒大小的氢气颗粒，将其放入一个特殊的容器中，用激光束对其进行冲击，然后让产生的冲击波破坏颗粒的内部，从而引发聚变。去年，加利福尼亚的一座 ICF 反应堆比任何人都更接近这一能源里程碑。不幸的是，在那之后的一年里，物理学家一直无法让闪电再次发生。

像这样的故事表明，如果有替代方案，研究人员会毫不犹豫地采用它。

削减托卡马克的想法出现在 1980 年代，当时理论物理学家（然后是计算机模拟）表明，更紧凑的形状可以比传统的托卡马克更有效地处理等离子体。

不久之后，来自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。 “结果几乎立刻就非常好，”考利说。

尽管有这个名字，球形托卡马克并不是真正的球体：它更像是带壳的花生。支持者认为，这种形状赋予了它一些关键优势。较小的尺寸允许将磁铁放置在更靠近等离子体的位置，从而降低实际为其供电所需的能量（和成本）。等离子体在整个反应过程中也趋向于在球形托卡马克中更稳定地发挥作用。

但也有缺点。在标准托卡马克中，腔室中间的环形孔包含一些重要的电磁体，以及为磁铁供电和支撑它们所需的布线和组件。缩小托卡马克的尺寸会将空间缩小到像苹果核一样的东西，这意味着配件需要小型化以匹配。 “能够将所有东西从中间狭窄的洞中取出的技术是一项艰巨的工作，”考利说。 “我们在这方面有一些错误的开始。”

除了组装问题外，将这些组件放置在靠近天体的热等离子体的地方往往会更快地磨损它们。在后台，研究人员正在制造新的组件来解决这些问题。在普林斯顿，一个团队已经缩小了磁铁并将它们包裹在没有传统绝缘材料的特殊电线中——这个过程需要在一个昂贵且容易出错的过程中进行特殊处理，以应对聚变反应堆的恶劣条件。这种发展并不能解决所有问题，但它是一个渐进的步骤。

其他人梦想走得更远。实验性托卡马克世界目前正在为 ITER 做准备，这是一个自 1980 年代以来一直在进行的容量创纪录的试验反应堆，并将在十年内最终在法国南部完成建设。它有望为 2040 年代可行的聚变发电铺平道路。

与此同时，聚变科学家在英国设计了一些非常相似的东西，即球形托卡马克或 STEP，用于能源生产。该装置远未完成——最乐观的计划是在 2030 年代中期开始建造，并在 2040 年左右开始发电——但它表明工程师们非常重视球形托卡马克的设计。