美國阿爾伯克基市的桑迪亞國家實驗室（Sandia National Laboratories）有一個著名聚變反應(yīng)堆“Z裝置”（Z machine）。等離子體物理學(xué)家們每次對反應(yīng)堆進(jìn)行點(diǎn)火試驗時總能看到奇特的一幕：煙霧從裝置上裊裊騰起，猶如火山噴發(fā)。
Z裝置所用電容的儲電量比一千次閃電的放電量還有多，反應(yīng)堆點(diǎn)火時，2000萬安培的電流涌入鉛筆橡皮頭大小的柱形燃料元件。電流激發(fā)出強(qiáng)烈的電磁場，在電磁場作用下燃料元件內(nèi)的氫原子極速壓縮，發(fā)生強(qiáng)烈的聚變反應(yīng)，并釋放出高能中子和氦原子核。柱形燃料外圍是10公斤金屬做成的復(fù)雜包殼結(jié)構(gòu)，但劇烈反應(yīng)所釋放的能量太大，大到足以使金屬包殼化為云煙。
Z裝置的脈沖電流形成的強(qiáng)磁場壓縮燃料元件發(fā)生聚變反應(yīng)
“這相當(dāng)于釋放出了三只炸藥的能量”，該工程的一名項目經(jīng)理邁克·庫尼奧（Mike Cuneo）說。“點(diǎn)火之后，裝置會留下一個一英尺寬的火山口。”
目前，物理學(xué)家準(zhǔn)備在燃料中加入用于熱核武器的稀有原料，這一抉擇雖有風(fēng)險卻頗有成效。
從最近幾年發(fā)表的有關(guān)聚變堆的計算、模擬和試驗結(jié)果可以看出，相比與激光和托克馬克聚變裝置，Z裝置更有希望率先實現(xiàn)自持聚變反應(yīng)，并且其成本也相對較低。
目前，Z裝置聚變?nèi)剂现饕噪貫橹?，?氘反應(yīng)釋放能量相對較少。今年8月，研究人員向燃料中添加了少量氚，未來5年氘-氚（DT）比例會逐漸提升到1比1。
氘-氚反應(yīng)所釋放的中子量是氘-氘反應(yīng)的60至90倍，并且中子與α粒子的能量也是后者的4倍多。隨著燃料中氚比例增多，反應(yīng)所釋放能量也相應(yīng)增大。
世界上其他一些聚變堆燃料也是用這種方法。比如位于英國阿賓登（Abingdon）的托克馬克裝置歐洲聯(lián)合環(huán)流器（Joint European Torus，JET），它在1997年進(jìn)行的氘-氚聚變反應(yīng)釋放出了16兆瓦的電力，但持續(xù)時間還不到一秒。
目前，JET依然是聚變堆輸出能量的記錄保持者。對JET能量輸出影響最大的是反應(yīng)堆內(nèi)的石墨器壁。“石墨壁像海綿一樣，吸收了70%的氚，”薩維爾·利托頓（Xavier Litaudon）回憶道。利托頓是牛津大學(xué)ITER項目負(fù)責(zé)人，他目前正為2019年新一輪JET氘-氚反應(yīng)募集資金。
位于法國卡達(dá)拉什（Cadarache）的國際托克馬克聚變裝置ITER目前仍然在建，它的最終目標(biāo)就是用氘-氚反應(yīng)凈能量輸出。但I(xiàn)TER的預(yù)算已經(jīng)超標(biāo)，預(yù)期目標(biāo)也沒能實現(xiàn)。
托克馬克與Z裝置原理不同：前者是利用環(huán)形磁場來約束高溫等離子體，屬于磁約束；后者利用燃料的慣性與強(qiáng)電流形成的磁籠，在微秒時間范圍內(nèi)發(fā)生劇烈反應(yīng)，屬于磁-慣性約束。這種反應(yīng)原理與加州的勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的國家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility ，NIF）類似，所不同的是NIF用萬億瓦功率的激光來誘發(fā)聚變反應(yīng)。
桑迪亞和NIF的聚變裝置沒有石墨壁，所以科學(xué)家們不必?fù)?dān)心氚燃料會像托克馬克裝置一樣被吸收。據(jù)庫尼奧介紹，相較于NIFTY，Z裝置磁場可以約束α粒子，將更多能量用于維持聚變反應(yīng)。
目前世界上僅有3個氘-氚聚變堆，Z裝置是其中之一。其中一個原因是成本問題。每克氚價格上萬美元，因為氚沒有自然存儲，只能作為裂變反應(yīng)副產(chǎn)品而獲得。
還有一個問題是安全性?！半暗陌胨テ谑?2年，有輕微放射性，必須謹(jǐn)慎處理，”普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究員瑞奇·哈夫雷盧克（Rich Hawryluk）說。
而且氘-氚反應(yīng)釋放出的中子轟擊反應(yīng)堆的結(jié)構(gòu)鋼，也會使后者帶有輕微放射性。所以PPPL在90年的進(jìn)行完氘-氚實驗將裝置關(guān)閉后，將反應(yīng)容器裝滿混凝土并埋在華盛頓州的漢福德核基地。
據(jù)哈夫雷盧克介紹，氚遇水甚至濕空氣會形成氚水，它的生物毒性是純氚氣的上萬倍。未來避免事故，Z裝置將水池和油池內(nèi)的電子元件進(jìn)行隔離?！拔覀冋n不想有氚水生成，”庫尼奧說。
而NIF的氚元素包裹在一個小球內(nèi)，而且工作人員也不經(jīng)常進(jìn)入裝置內(nèi)部，所以氚的危險性也較小。相比之下，桑迪亞裝置的燃料元件兩端開口，在劇烈反應(yīng)下氚會與到處飛濺的氣態(tài)金屬相混合。“每次點(diǎn)火后工作人員都要進(jìn)入裝置內(nèi)部，將加速器中心的裝置整個換掉，”庫尼奧說。
盡管如此，Z裝置仍然堅持用氚作燃料。這是因為氚可以產(chǎn)生額外中子，后者有助于揭示瞬間存在的高溫高密度等離子體的行為。在明年的三次點(diǎn)火試驗中，研究人員會移除含氚系統(tǒng)，以檢測空氣凈化系統(tǒng)的安全性并且更加透徹地研究中子。
“雖然最近的試驗只添加的十分之一的氚，但結(jié)果很令人振奮，”庫尼奧補(bǔ)充道，“過去我們很難相信可以用氚進(jìn)行聚變反應(yīng)。”
