科幻作品里，等離子炮是一種常見的“超級武器”，其原理是利用激光把重氫加熱至百萬度高溫，使之變成等離子態(tài)，然后再利用電磁技術(shù)，將這團帶電的粒子包裹成球狀發(fā)射出去摧毀目標。
日常生活中，等離子是許多常見設(shè)備的主要組成部分，如熒光管；極光和閃電則是少數(shù)自然產(chǎn)生的自然等離子體。等離子是物質(zhì)四態(tài)中的一態(tài)，通過對氣體放電或加熱的辦法從外界獲得足夠能量后，氣體分子或原子軌道中被束縛的電子便可變?yōu)樽杂呻娮�，形成等離子體——一種氣體狀物質(zhì)。
在能源研究方面，人們最感興趣的等離子體是高性能等離子體，它的溫度十分高，因此其粒子有足夠高的能量來引起相互間的核聚變——而對于核聚變能源的開發(fā)和使用則是人類多年來的夢想。一旦其成為現(xiàn)實，人類將徹底擺脫能源危機。
清潔能源的“火種”
位于美國新澤西州普蘭斯堡市福雷斯特校區(qū)的普林斯頓等離子體物理實驗室（Princeton Plasma Physics Laboratory，PPPL）是一家長期致力于發(fā)掘與等離子體物理相關(guān)的新知識的研究機構(gòu)，同時它也為創(chuàng)造聚變能貢獻實用的方案。
PPPL由美國能源部科學(xué)辦公室負責(zé)運營管理，由超過500名頂級工程師、研究人員和員工組成。實驗室的研究領(lǐng)域包括核聚變實驗與理論、基礎(chǔ)等離子體科學(xué)、等離子體天體物理學(xué)、其他物理和工程研究以及對球形托卡馬克聚變裝置升級版NSTX-U的研究等。
自實驗室創(chuàng)辦以來，PPPL的研究人員一直嘗試建造自己的核聚變反應(yīng)堆。他們試著通過將一個小區(qū)域內(nèi)離子的數(shù)量以及它們盡可能貼近的時間最大化，來使原子之間足夠接近。而為了做到這一點，反應(yīng)堆需加熱到遠比太陽核心還要高的溫度，從而將氫氣轉(zhuǎn)化為氫等離子體。接下來，只要強磁場或高能激光將等離子體限制在一個小的可控區(qū)域內(nèi)，聚變就會發(fā)生。
1964年，PPPL提出了實驗室創(chuàng)立以來第一個等離子體加熱的中性束注入計劃。在之后的30年里，中性束加熱在取得大量聚變能量所需的等離子體條件方面發(fā)揮了關(guān)鍵作用。
人造恒星的溫室
幾千萬、幾億攝氏度高溫的聚變物質(zhì)究竟要裝在什么容器里，這一直是困擾科學(xué)家的難題。
托卡馬克最初是由蘇聯(lián)庫爾恰托夫研究所的阿齊莫維齊等人于20世紀50年代發(fā)明的。它的中央是一個環(huán)形的真空室，外面纏繞著線圈。通電時，托卡馬克內(nèi)部會產(chǎn)生巨大的螺旋型磁場，將其中的等離子體加熱到很高的溫度，以達到核聚變的目的。但常規(guī)托卡馬克裝置體積龐大且效率低，突破難度很大。
在過去的30年里，PPPL一直是利用托卡馬克進行磁約束實驗的領(lǐng)導(dǎo)者，并不斷對此項技術(shù)進行鉆研改進。
1970年5月1日，美國第一個托卡馬克實驗始于PPPL的對稱托卡馬克。1974年，美國國會批準實施托卡馬克聚變試驗反應(yīng)堆（TFTR)項目，它也成為世界上第一個用50/50混合氘和氚進行實驗的磁核聚變裝置。1990年，TFTR在離子溫度和聚變能方面創(chuàng)造了世界紀錄。
在探索核聚變裝置的道路上，PPPL人的字典里沒有“盡頭”二字。
2015年，在美國能源部科學(xué)辦公室的資助下，PPPL完成了對球形托卡馬克聚變裝置NSTX的升級改造。球形托卡馬克裝置外形如空心蘋果，與常規(guī)托卡馬克裝置不同，后者更像是笨重的甜甜圈。改造后球形托卡馬克裝置的主磁場強度達到原來的2倍，并增加了注射中性原子的第二個端口，給等離子體加熱，使其溫度將能達到1500萬℃，比太陽的溫度還高。升級之后，該裝置的新名字是NSTX-U。
其實，NSTX-U的誕生和發(fā)展，最初可以追溯到PPPL一項有著65年“高齡”的研究。
20世紀50年代，物理學(xué)家Lyman Spitzer創(chuàng)建了一個名為“仿星器”的機器，用來仿真恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)，由此產(chǎn)生并釋放出巨大的能量。仿星器是全世界最早期的受控核聚變裝置，之后，它便被建造在后來的PPPL。而如今，世界上兩個最著名的核聚變反應(yīng)堆設(shè)計——仿星器和托卡馬克早已遍布于全球。
如今的NSTX-U使得世界各地的研究人員得以共同探索如何創(chuàng)造核聚變反應(yīng)，這項任務(wù)的本質(zhì)就是要在地球上創(chuàng)造一顆恒星，為世界帶來清潔、可靠、安全、幾近無限的能量。
“這是令人興奮的新領(lǐng)域，我們很高興能踏上聚變研究的下一個前沿。這一裝置可以改變世界，并向我們展示一種方法，讓我們可以從聚變能源中獲得電力，以供所有人使用。”時任PPPL主任Stewart Prager表示。
當(dāng)人們還在為PPPL上一項創(chuàng)造鼓掌歡呼時，PPPL卻已經(jīng)大踏步朝著未來邁進了。下一步，實驗室將繼續(xù)對NSTX-U進行研究，以期解決研制下一代核聚變裝置所面臨的技術(shù)問題�！�