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【导语】可控核聚变，这一被视为未来清洁、无限能源的关键技术，在过去50年里始终面临温度与稳定性的两难困境。然而，一项来自西班牙塞维利亚大学的国际团队的创新成果——SMART球形托卡马克装置，首次实现了球形托卡马克与负三角形度的双重突破，为解决这一难题带来(lái)了(le)曙(shǔ)光(guāng)。本(běn)文将(jiāng)深(shēn)入(rù)探(tàn)讨(tǎo)SMART装(zhuāng)置(zhì)的(de)工(gōng)作(zuò)原(yuán)理(lǐ)、技(jì)术(shù)创(chuàng)新(xīn)及(jí)其(qí)对(duì)未(wèi)来(lái)核(hé)聚(jù)变(biàn)能(néng)源(yuán)发(fā)展(zhǎn)的(de)重(zhòng)要(yào)意(yì)义(yì)，揭(jiē)示我们离实现“清洁、无限能源”梦想又近了一步的真相。

图虫创意(yì)

过(guò)去(qù)50年(nián)，可(kě)控(kòng)核(hé)聚(jù)变(biàn)始(shǐ)终(zhōng)被(bèi)困(kùn)在(zài)一(yī)个(gè)怪(guài)圈(quān)当(dāng)中(zhōng)——要(yào)温(wēn)度(dù)就(jiù)会(huì)失(shī)控(kòng)，要(yào)稳(wěn)定(dìng)就(jiù)得(de)降(jiàng)温(wēn)。正(zhèng)应(yīng)了(le)那(nà)句(jù)老(lǎo)话(huà)，鱼(yú)与(yǔ)熊(xióng)掌(zhǎng)不(bù)可(kě)兼(jiān)得(de)。难(nán)道(dào)这(zhè)种(zhǒng)未(wèi)来(lái)能(néng)源(yuán)真(zhēn)的(de)就(jiù)无(wú)解(jiě)了(le)？

有(yǒu)一(yī)个(gè)装(zhuāng)置(zhì)点(diǎn)亮(liàng)了(le)科(kē)学(xué)界(jiè)的(de)希(xī)望(wàng)，它(tā)首(shǒu)次(cì)实(shí)现(xiàn)了(le)球(qiú)形(xíng)托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)+负(fù)三(sān)角(jiǎo)形(xíng)度(dù)的(de)双(shuāng)重(zhòng)突(tū)破(pò)，证(zhèng)明(míng)鱼(yú)与(yǔ)熊(xióng)掌(zhǎng)可(kě)以(yǐ)兼(jiān)得(de)了(le)。所(suǒ)以(yǐ)，它(tā)是(shì)怎(zěn)么(me)做(zuò)到(dào)的(de)？什(shén)么(me)是(shì)球(qiú)形(xíng)托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)？什(shén)么(me)又(yòu)是(shì)负(fù)三(sān)角(jiǎo)形(xíng)度(dù)？

目(mù)前(qián)主流(liú)的(de)托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)——也(yě)就(jiù)是(shì)实(shí)现(xiàn)可(kě)控(kòng)核(hé)聚(jù)变(biàn)的(de)特(tè)殊(shū)容(róng)器(qì)——有(yǒu)两(liǎng)种(zhǒng)“体(tǐ)型(xíng)”，巧(qiǎo)的(de)是(shì)，它(tā)们(men)都(dōu)跟(gēn)吃(chī)的(de)有(yǒu)关：传(chuán)统(tǒng)环(huán)形(xíng)托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)，它(tā)的(de)形(xíng)状(zhuàng)较(jiào)为(wèi)扁(biǎn)平(píng)，中(zhōng)间(jiān)空(kōng)心(xīn)，像(xiàng)是(shì)一(yī)个(gè)巨(jù)大(dà)的(de)金(jīn)属(shǔ)甜(tián)甜(tián)圈(quān)，其(qí)内(nèi)部(bù)用(yòng)超(chāo)导(dǎo)磁(cí)铁(tiě)产(chǎn)生(shēng)磁(cí)场(chǎng)，把(bǎ)高(gāo)温(wēn)等(děng)离(lí)子(zi)体(tǐ)"困(kùn)"在(zài)环(huán)形(xíng)轨(guǐ)道(dào)中(zhōng)运(yùn)行(xíng)。该(gāi)装(zhuāng)置(zhì)在(zài)磁(cí)场(chǎng)控(kòng)制(zhì)、加(jiā)热(rè)技(jì)术(shù)等(děng)方(fāng)面(miàn)经(jīng)过(guò)几(jǐ)十(shí)年(nián)的(de)研(yán)究(jiū)，积(jī)累(lèi)了(le)大(dà)量(liàng)宝(bǎo)贵(guì)经(jīng)验(yàn)，是(shì)国(guó)际(jì)上(shàng)主流(liú)的(de)核(hé)聚(jù)变(biàn)研(yán)究(jiū)装(zhuāng)置(zhì)。国(guó)际(jì)热(rè)核(hé)聚(jù)变(biàn)实(shí)验(yàn)堆(duī)，即(jí)ITER，就(jiù)是(shì)这(zhè)种(zhǒng)类(lèi)型(xíng)的(de)代(dài)表(biǎo)，它(tā)的(de)直(zhí)径超(chāo)过(guò)30米(mǐ)，重(zhòng)量(liàng)相(xiāng)当(dāng)于(yú)三(sān)座(zuò)埃(āi)菲(fēi)尔(ěr)铁(tiě)塔(tǎ)。所(suǒ)以(yǐ)又(yòu)大(dà)又(yòu)贵(guì)就(jiù)是(shì)它(tā)的(de)特(tè)点(diǎn)。

另(lìng)一(yī)种(zhǒng)托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)叫(jiào)做(zuò)球(qiú)形(xíng)托(tuō)卡(kǎ)马(mǎ)克(kè)，它(tā)的(de)核(hé)心(xīn)特(tè)征(zhēng)在(zài)于(yú)更(gèng)小(xiǎo)的(de)环(huán)径比(bǐ)——也(yě)就(jiù)是(shì)装(zhuāng)置(zhì)中(zhōng)心(xīn)孔(kǒng)洞(dòng)的(de)直(zhí)径与(yǔ)整(zhěng)体(tǐ)直(zhí)径的(de)比(bǐ)例(lì)大(dà)幅(fú)缩(suō)小(xiǎo)。这(zhè)种(zhǒng)结(jié)构(gòu)让(ràng)整(zhěng)个(gè)装(zhuāng)置(zhì)不(bù)再(zài)是(shì)扁(biǎn)平(píng)的(de)甜(tián)甜(tián)圈(quān)，而(ér)是(shì)呈(chéng)现(xiàn)出(chū)类(lèi)似(shì)苹(píng)果(guǒ)核(hé)的(de)紧(jǐn)凑(còu)形(xíng)态(tài)。比(bǐ)如(rú)英(yīng)国(guó)的(de)MAST装(zhuāng)置(zhì)和(hé)我(wǒ)国(guó)的(de)SUNIST装(zhuāng)置，它们的体积通常只有传统型的1/10，所以球形托卡马克最大的特点就是“小而精”。

为什么科学家要费心设计这种"矮胖版"的托卡马克呢？当然是因为它能带来很多好处嘛：一方面，紧凑的结构有助于更有效地利用磁场，就像用更短的绳子来拴住宠物，球形设计能用更小的磁场强度控制等离子体，大幅降低能耗。另一方面，由于装置(zhì)体(tǐ)积(jī)更(gèng)小(xiǎo)，建(jiàn)造(zào)和(hé)维(wéi)护(hù)成(chéng)本(běn)也(yě)相(xiāng)对(duì)较(jiào)低(dī)。而(ér)最(zuì)重(zhòng)要(yào)的(de)一(yī)点(diǎn)，则(zé)是(shì)它(tā)更(gèng)适(shì)合(hé)持(chí)续(xù)运(yùn)行(xíng)。2016年(nián)英(yīng)国(guó)MAST装(zhuāng)置(zhì)实(shí)验(yàn)显(xiǎn)示(shì)，球(qiú)形(xíng)设(shè)计(jì)能(néng)更(gèng)有(yǒu)效(xiào)处(chù)理(lǐ)热(rè)量(liàng)排(pái)放(fàng)，这(zhè)是(shì)实(shí)现(xiàn)商(shāng)业(yè)发(fā)电(diàn)的(de)关键。

所(suǒ)以(yǐ)它(tā)才(cái)备(bèi)受(shòu)科(kē)学(xué)家(jiā)们的关注，被视为未来实现商业化核聚变发电的有力候选者。而本次为我们带来突破的，正是一台球形托卡马克。

它叫做SMART——Small Aspect Ratio Tokamak的首字母缩写，来自西班牙塞维利亚大学的一支国际团队。它不仅外面的形状跟传统的装置不同，就连里面，等离子束的形状也跟传统不一样。它就是所谓的负三角形度了。

当我们去看一个托卡马克时，往往会关注它庞大的外观，但科学家们真正关注的却是装置内部那一团燃烧着的等离子体。其实，等离子体的“外形”也可以有所变化，这种变化就叫做“三角形度”。简单来说，三角形度描述的是等离子体横截面看上去是否带有“尖尖”的形状。正三角形度是传统托卡马克常用的一种等离子体形状，其横截面像一个英文字母“D”——等离子体外侧呈现平缓弧线，内侧则带有明显尖角。在这种形状中，等离子体的弯曲部分靠近托卡马克的外壁，整体比较平稳，但同时也容易产生一些不太受欢迎的边缘扰动。而当我们将"D"字左右镜像翻转，让原本内侧的尖角转移到外侧，这就是负三角形度。或许听起来有些反常，但正是这种“倒过来”的形状给等离子体带来了意想不到的好处，而且还是双重的。

首先是——稳定性。在高温等离子体中，内部的能量和粒子总是处于不断运动和碰撞状态，有时这种剧烈的运动会在边缘形成一些扰动，甚至引发强烈的“爆炸”，对装置的内壁造成损害。这种现象在专业上叫做“边缘局域模式不稳定”。负三角形度的等离子体形状恰恰能有效抑制这种边缘扰动，降低“爆炸”的风险，让等离子体在高温高压下依然能够保持稳定运行。更妙的是，负三角形度还使得热量能够在更大的区域内分散开来，从而减少单点过热的危险。换句话说，采用负三角形度设计的托卡马克，不仅能提高反应效率，还能延长设备的使用寿命，为实现长期、稳定的聚变反应提供了保障。其次，负三角形度还能让装置的散热更均匀，它能让装置底部的偏滤器——这相当于汽车排气管——面积增大50%，于是热量分布更加均匀，材料寿命也得以延长了数倍。

双重突破加持的SMART因(yīn)此让我们再一次摸到了能源(yuán)的圣杯。它不仅向我们证明了球形托卡马克结合负三角形度这一新思路在实际操作中的可行性，也为未来更大规模、更高效的聚变反应器设计提供了宝贵数据和实践经验。而且，它凭借着紧凑的设计，显著降低的建造和维护成本，让商业化也不再遥不可及。

这一次，我们离实现“清洁、无限能源”的梦想是真的又近了一步。

本文为·创作培育计划扶持作品

作者：火箭叔 科普作者

审核：姬扬 浙江大学物理学院 教授

出品：中国科协科普部

监制：中国科学技术出版社有限公司、北京中科星河文化传媒有限公司