随着科技的日益发展，人类对能源资源的需求越来越大，虽然化石能源（主要包含煤炭、石油和天然气）现在依然是全球消耗的最主要能源。但是，且不说化石能源的使用对周围环境的污染，人类的不断开采也终将会导致化石能源的枯竭。因此，开发清洁的新能源是今后发展的方向，像太阳能、风能及生物质能这些新能源已经渐渐融入我们的生活中，实际上，即使听起来可能有点不太真，核聚变能确实也是一类新能源。
在零排放的前提下，核聚变可以为我们提供大量的清洁能源，也算是接近无限量的燃料。如果我们能够很好地开发和利用核聚变能，那么我们目前的能源结构可能会发生巨大的变化。当然，所有的一切美好想法都是建立在核聚变能能为我们所用的基础上，为此，世界各地的研究人员都在这个研究上花费了大量的精力和财力，目前已投入了数十亿美元的科研经费。
去年二月份，德国于东北部沿海城市格赖夫斯瓦尔德（Greifswald）新建的核聚变装置文德尔施泰因7-X仿星器（Wendelstein 7-X）正式开始启用，为核聚变能的研究翻开了新篇章。
这是一个实验性的聚变反应堆，项目经费高达10亿欧元，主要用来测试各种设计的反应堆。
预计在2021年前后，这个聚变反应堆的运行时间能持续三十分钟左右，这也是目前世界上所有的聚变反应堆中最长的运行时间，在展示未来的聚变电厂的一些基本特征——连续操作中起着很重要的作用。
但是Wendelstein 7-X并不是唯一一个高大上的聚变反应堆，在法国南部，ITER（国际热核聚变实验堆）项目正在建造中，是目前全球规模最大、影响最深远的国际科研合作项目之一，这个ITER也属于实验性的聚变反应堆，但采用的是一种不同于Wendelstein 7-X仿星器的设计，称为托卡马克（tokamak）装置，耗资二百亿美元。
然而，尽管Wendelstein 7-X和ITER采用的设计不同，但是两者优缺互补。只要其中一个有所创新和突破，都有可能发展成为最终的可日常供电的核聚变发电厂。
路径扭曲
类比于太阳内部的聚变反应，两个轻原子，如氢原子或者氦原子，聚合在一起形成新的原子，并释放出巨大的能量。我们或许可以通过相同的方法得到想要的聚变能量。
由聚变反应产生的原子的质量最终略低于原来的两个原子的质量之和，根据爱因斯坦的质能方程E = mc?，我们可以知道，减少的质量最终转化为能量，也就是常说的聚变能量。
不过研究的重点在于如何简化两个原子之间的聚变反应，这也是一大难点，目前实现聚变反应需要将反应堆加热到数百万摄氏度。
但是，这么高的反应温度并不是一般容器能够承受的，正常的反应原料的性质也会发生一定的变化。在过高温度下，聚变反应原料会变成热电离气体，也称为等离子体。若置于适当大小的磁场中，反应原料便不会与反应堆的内部接触。
Wendelstein 7-X的仿星器设计尤为有趣，主要包括一个嵌入在磁瓶中的真空室，而该磁瓶是由七十匝超导磁体线圈组成的系统产生的，其产生的强大磁场足以使热等离子体不与反应堆的内部接触。
仿星器和托卡马克都属于环形磁约束装置，用来研究各种聚变反应。
这些实验其实都是通过一个强有力的环形磁场形成的磁瓶来限制等离子体的行为。
然而，为了使圆环形磁瓶对等离子体有良好的封闭约束性，磁场必须要有使运动粒子运动路径弯曲的能力。在托卡马克装置的ITER反应堆中，等离子体中的大电流可以用来完成这个扭曲粒子的运动路径。
但是，这种大电流可能会导致整个系统的不稳定性，即破坏等离子体。
如果等离子体遭到破坏，我们需要向反应堆中充入其他气体给其降温，防止等离子体破坏实验甚至一些危险的事情发生。
不同地，在仿星器中，这种扭曲路径主要是通过扭曲整个机器本身实现的。相比之下，没有大型环形电流可以使等离子体更稳定。
很明显，研究成本主要来自于励磁线圈和对运动粒子的限制，通常为了降低成本，励磁线圈的设计并没有理想中的那么复杂，对运动粒子的限制设计也是简化的，这意味着要想将等离子体包含在磁瓶中并不是那么容易的。
共同之处
虽然Wendelstein 7-X和ITER使用的方法不同，但是大部分底层技术还是相同的。
第一，他们都是环形超导机器；其次，他们的加热方式也都是使用外部加热系统，如通过一定频率的无线电或者向反应堆里注入中性束来加热等离子体。同时，大部分等离子体诊断技术也有很多共同之处。
在发电厂中，重氢原子——氘和氚（氢的同位素）以及一个高能中子聚合形成氦原子。
当然，这个等离子体中也含有氦原子，而具有电中性的中子主要分布在等离子体中的空白区域。当外界加热到一定温度时，这便可以驱动汽轮机发电。
根据聚变反应的共同特征，我们显然知道，只有开发能够承受高温和由聚变反应产生的快速中子的材料，聚变能量才能为我们所用。
且不论设计方式，聚变反应堆的第一层内壁必须能够抵御高能粒子在其寿命中的不断撞击。
在这个阶段，无论是ITER使用的托卡马克装置，还是Wendelstein 7-X使用的仿星器，现在讨论其是否更适合商业核聚变发电厂都未免有点言之过早。
但无论怎样，着手研究Wendelstein 7-X都不会是一个错误的做法。这不仅有助于分辨出更加适合采用的技术，而且也为未来聚变实验提供了宝贵的知识和经验。也许，一场由聚变能引起的能源革命将在未来的某一天上演。
马修·霍尔，是澳大利亚国立大学等离子体研究实验室的高级研究员。
本文最初发表在《谈话》（The Conversation）
蝌蚪五线谱编译自sciencealert，译者 sunshine，转载须授权
