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March 28, 2008
MIT 與 Columbia 大學團隊成功地測試一種新穎的反應器，那能以一種新的路線朝核融合邁進，那能成為一種安全、可靠且近乎沒有限制的能源。始於 1998 年，漂浮偶極實驗（Levitated Dipole Experiment，LDX）利用一種獨特的配置，它的主磁鐵因另一個在其上方的磁鐵而懸浮。這套系統在 2004 年開始測試，「支援模式」底下運作，在此磁鐵被一種支持結構囿於原處，那導致電漿（一種炙熱的帶電氣體，核融合在此發生）顯著地漏失。
LDX 在去年 11 月首度達成完全漂浮的運作。第二次試運轉在今年 3月 21-22 日完成，其中它具有改善過的測量能力，也包括澄清與闡明早先結果的實驗。這些實驗證明電漿侷限的實質改進 -- 在達到產生核融合反應的目標中是顯著進展 -- 而且一篇就此結果的期刊文章亦在計畫中。
核融合 -- 此程序為太陽提供能量 -- 發生在二種類型的原子融合，創造出一種不同的元素（通常是氦）並釋出能量的時候。這種反應只能在極端高溫與高壓下發生。因為這種物質太熱，以致於沒有任何物質能夠容納，核融合反應器把電漿困在強烈磁場中而得以運作，使電漿永遠不會碰觸裝置的內壁。
LDX 反應器透過模仿環繞地球與木星的那種磁場，產生融合所需的狀態。一個結合 MIT 與 Columbia 大學的計畫，那由一個大小、形狀像大卡車輪胎的超冷卻、超導電磁鐵構成。當反應器運作時，這個半頓重的磁鐵，在一個大真空室中漂浮，利用真空室上方另一個強力磁鐵使它漂浮在空中。
這種空浮系統的優勢在於它不需要內部支持結構，那會與圍繞甜甜圈磁鐵的磁場線產生干擾，MIT 電漿科學與核融合中心的 Jay Kesner 解釋，他與 Columbia 的 Michael Mauel 共同主持 LDX。那允許反應器內的電漿沿著這些磁場線流動而不會遇到任何中斷它（與融合過程的）障礙。
為了製造持久的融合反應，種類正確的材料必須受限在巨大的壓力、溫度與密度下。「燃料」通常是氘與氚的混合物（稱為 D-T cycle），那是氫，這種最簡單原子的二種同位素。一個正常的氫原子只包含一個質子與一個電子，不過氘多了一個中子，氚則是二個中子。到目前為止，很多實驗性反應器使用不同手段以產生某種融合反應，不過沒有一個能達到「損益平衡（breakeven）」的目標，在其中一個反應器所產生的能量跟它所消耗的能量一樣多。當然，要成為一種實用的能源，它需要產出比其消耗更多的能量。
如果那能夠達成，許多人認為它能提供一種沒有碳排放的豐富能源。氘燃料可從海水中取得，而那差不多是無限供應。
大部分核融合實驗都在磁鐵所環繞的甜甜圈形（超環面的）腔室中完成，這種設計來自於蘇聯，並以俄文名稱為 Tokamak（托卡馬克）。MIT 也運作美國境內強大的 Tokamak 反應器，Alcator C-mod，那與新 LDX 反應器位於同樣的建築中。Tokamaks 需要大量磁鐵環繞圓環面（torus）的內壁，而且它們全都需要適當運作使電漿能夠被侷限住，並使融合成為可能。
在 LDX 中所測試的融合新方法，是第一個使用最簡單的磁鐵，一種偶極（dipole），那只有南與北這二種磁極，如同地球與木星的磁場。Tokamaks 與其他核融合反應器設計使用更加複雜的、多極的磁場來困住熱電漿。
不同於 Tokamak 設計，在其中磁場必須窄化以便把熱電漿壓縮至更大密度，在偶極場中，電漿自然就會受到壓縮，Kesner 解釋。振動實際上會增加密度，不過在 Tokamak 中，任何紊流（turbulence）反而會使熱電漿散開。
著名的物理學家 Richard Feynman（理查費曼）曾「把電漿囿於一個 Tokamak 磁場中」比喻成 "以橡皮筋抓住 Jell-O（一種果凍），" LDX 首席實驗者，Columbia 的 Darren Garnier 說。"那是拉與推之間的差異。" Tokamak 的磁場試著從外面把電漿推入，"我們在內部就有場線把電漿往內拉，" 那在本質上就更加穩定，他說。
LDX 的另一種潛在優勢是，那能用更加先進的燃料循環，稱為 D-D，那只有氘而已。雖然以 D-T 較易得到自主反應，不過氚並非自然存在，必須經過製造，而且反應所產生充滿能量的中子會危害結構。 D-D 將避免這些問題。
LDX 磁鐵具有以超導鈮錫合金製成的線圈，當它冷卻到 15 K 時會失去所有電阻；在此裝置中，它被冷卻到 4 K（攝氏 -269 度），這種溫度只有讓線圈與液態氦環繞才能辦到。這是美國境內唯一一座在使用的超導磁鐵核融合反應器。
當完全運轉時，超冷磁鐵（包含在雙層外壁的容器中，那基本上就是個大保溫瓶）被加熱到攝氏幾百萬度的電漿所環繞。Garnier 說，完全運轉時，該系統不折不扣就是個地獄中的雪球。
除了提供資料，那有朝一日將導致實用核融合反應器的產生外，這個實驗性裝置也能夠提供關於「行星磁場如何運作」的一課，這目前依然所知不多。所以，這些實驗引起許多行星物理學家與能源研究者的關注。
使巨大磁鐵在正確高度維持騰空需要一個回饋系統，能不斷地監測其位置，這用到八道雷射光，並相應地調整抬升磁鐵的功率。 "這很難開發，" Garnier 說，而且在早期實驗中，"我們放棄了很多次。" 很幸運地，他們在磁鐵下方設計出一種裝上彈簧的起重機，用來使它升到它的起始位置，那可以吸收掉下來的重量而不會損害磁鐵。
※ MIT 的設計比較像太陽。
＊ Levitated Dipole Experiment
http://psfcwww2.psfc.mit.edu/ldx/
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