Type One Energy公司的首個仿星器“無限一號”示意圖。圖片來源：Type One Energy

本報訊 長期以來，被稱為托卡馬克的甜甜圈狀的裝置備受核聚變科學家的青睞。相比之下，它的“孿生兄弟”——仿星器獲得的關注和資金卻較少。但從長遠來看，仿星器的一些特性可能使它成為“黑馬”。

近日，多家初創公司發佈了預計可以在下一個10年發電的仿星器原型機設計方案。一家公司還測試了一種新的磁鐵技術，可以更容易地建造仿星器。

仿星器及相關設計的終極考驗是讓燃料達到足夠高的溫度和壓力，從而觸發核聚變，並釋放出比引發反應所需的更多能量。目前，除了美國國家點火裝置的短暫雷射閃光外，還沒有反應堆能實現這一目標。

美國麻省理工學院等離子體科學與聚變中心前主任Dennis Whyte說：“仿星器的出現令人興奮。與托卡馬克相比，它的操作更簡單。”

然而核聚變裝置面臨的一個關鍵挑戰是如何限制其過熱的燃料，即由氫離子和電子構成的翻滾的等離子體。離子發生聚變需要1億攝氏度，這個溫度足以摧毀任何物質。

托卡馬克雖然能有效控制粒子和它的熱量，但也有致命弱點。該裝置中心的電磁鐵無法持續工作，必須偶爾暫停和重置。此外，托卡馬克也容易發生“中斷”即等離子體流動故障，導致粒子偏離軌道，從而可能損壞容器壁，甚至會產生直接燒穿容器壁的電子束。

相比之下，仿星器雖然也像托卡馬克一樣呈甜甜圈狀，但它的磁鐵無須等離子體流動即可限制等離子體，因此不會受到干擾，也無須重置。“理論上，它可以打開一次，然後永遠開著。”Whyte說。但早期仿星器表現不佳，是因為碰撞的粒子從等離子體中擴散出來，導致後者的冷卻，從而無法達到核聚變溫度。

上世紀八九十年代，隨著理論和超級計算機的進步，仿星器設計者能夠計算出磁場的形狀，從而限制了消耗熱量的粒子碰撞。他們還設計出產生這些磁場所需的磁鐵幾何形狀，即所謂優化。這些磁鐵通常具有奇怪的扭曲形狀，使得機器製造困難且昂貴。

2015年，德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所推出首個大型優化仿星器W7-X。經過10年發展，其運行時長與等離子體溫度已可與托卡馬克媲美。

美國Type One Energy公司副總裁、理論學家Chris Hegna表示，該公司上周在《等離子體物理學雜誌》發表了7篇論文，詳細描述了他們提議的仿星器原型機——“無限二號”。

Hegna說，“無限二號”可能在未來10年內啟動，是一個真正的核聚變試驗工廠。該裝置跨度近14米，能夠產生800兆瓦熱量，從而帶來350兆瓦的電力。

此外，德國Proxima Fusion公司在《聚變工程與設計》發表論文，公佈了計劃於21世紀30年代發電的仿星器方案，並計劃於2027年建成高溫超導測試磁體、2031年完成演示裝置。

美國Thea Energy公司則另闢蹊徑，試圖完全摒棄複雜的磁鐵形狀，用簡單環形線圈形成磁場，然後用覆蓋在反應堆外部的數百個可控平面磁鐵——磁圖元來調整磁場。他們近期在arXiv公佈的預印本論文顯示，通過開關單個磁像素已經能夠精確調控磁場形態。

這些突破重塑了行業信心。W7-X項目負責人Thomas Klinger說：“托卡馬克的建造優勢正在消失。”隨著人工智慧和大規模3D列印技術在磁鐵設計製造上的應用，Whyte認為，仿星器正在迅速趕超，並有望獲得成功。（文樂樂）