几十年来，如果你问一位聚变科学家构想一个聚变反应堆，他们可能会给你描述一个托卡马克。它是一个房间大小的空心甜甜圈状腔室。物理学家在里面充入一种不好吃的超高温等离子体。然后，他们用磁铁将其包围起来，希望将原子挤压在一起产生能量，就像太阳一样。
但专家认为，托卡马克也可以采用其他形状。一些人认为，制造更小、更精简的托卡马克可以使其更好地控制等离子体。如果提出者是正确的，那么这可能是核能一项期待已久的升级。得益于近期研究和一个新提出的反应堆项目，该领域正认真考虑使用“球形托卡马克”发电。
普林斯顿等离子体物理实验室主任史蒂文·考利（Steven Cowley）表示：“到目前为止的实验表明，‘就单位重量而言，球形托卡马克可能更好地约束等离子体，从而制造出更好的聚变反应堆’。”
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如果你想知道聚变能源是如何工作的，它与太阳产生热量和光的过程相同。如果你能将某些类型的氢原子推过阻止它们分开的电磁力并将它们挤压在一起，你就会得到氦和大量能量——几乎没有污染或碳排放。
这听起来确实很棒。问题在于，为了将原子挤压在一起并实现上述反应，你需要达到数百万度的极高温度，并维持很长一段时间。这是一个难以达到的目标，这也是聚变的圣杯——产生比输入能量更多的能量的反应（也称为临界和增益）——仍然遥不可及的原因之一。
理论上，托卡马克是实现这一目标的一种方法。其思想是通过用环绕甜甜圈壳的强大电磁体精心塑造等离子体，聚变科学家就可以维持那种超高温反应。但托卡马克自20世纪50年代以来一直被使用，尽管持续乐观，但它们从未能够按照他们的需要塑造等离子体以实现其承诺。
但除了托卡马克之外，还有一种产生聚变的方法，称为惯性约束聚变（ICF）。为此，你需要一个沙粒大小的氢颗粒，将其放入一个特殊容器中，用激光束轰击它，然后让产生的冲击波扰动颗粒内部，从而启动聚变。去年，加州的一个ICF反应堆比任何人都更接近那个能量里程碑。不幸的是，在过去一年里，物理学家们没能再次实现那种爆发。
这样的故事表明，如果存在替代方法，研究人员不会犹豫抓住它。
在20世纪80年代，理论物理学家们（随后是计算机模拟）提出了将托卡马克瘦身的想法，认为更紧凑的形状比传统的托卡马克能更有效地处理等离子体。
不久之后，英国的丘卡姆聚变能源中心和新泽西州的普林斯顿大学的团队开始测试这种设计。“结果几乎是瞬间就非常出色，”考利说。并非所有新的腔室设计都能让物理学家说出这样的话。
尽管名称如此，球形托卡马克并非真正的球体：它更像一个没有外壳的花生。支持者认为，这种形状具有几个关键优势。较小的尺寸允许磁体更靠近等离子体，从而减少驱动它们的能量（和成本）。在反应过程中，等离子体在球形托卡马克中也倾向于更稳定。
但也有缺点。在标准托卡马克中，腔室中间的甜甜圈孔包含一些重要的电磁体，以及驱动磁体并支撑它们的线路和组件。缩小托卡马克会使那个空间变成类似苹果核的大小，这意味着附件也需要小型化以匹配。考利说：“将所有东西都塞进中间狭窄的孔中的技术非常困难。”“我们在那方面有一些徒劳的尝试。”
除了安装问题，将这些组件放置在离极热等离子体更近的地方，会使它们更快磨损。研究人员正在开发新组件来解决这些问题。在普林斯顿，一个团队缩小了磁体，并用不带传统绝缘体的特殊电线缠绕了它们，常规绝缘体需要在昂贵且容易出错的工艺中进行特殊处理，才能适应聚变反应堆的恶劣条件。这一发展并未解决所有问题，但它是一个渐进的步骤。
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其他人则梦想着更进一步。目前，实验托卡马克领域正为ITER做准备，这是一个自20世纪80年代以来一直在进行的、创纪录容量的测试反应堆，本十年末将在法国南部完工。它有望在2040年代为可行的聚变能源铺平道路。
与此同时，聚变科学家已经在英国设计了一个非常相似的装置，名为聚变能源生产球形托卡马克（STEP）。腔室还远未完工——最乐观的计划也要到2030年代中期才能开始建设，并要到2040年左右才能开始发电——但这表明工程师们正认真对待球形托卡马克设计。
考利说：“我们总是要不断问自己：‘如果我今天建造一个反应堆，我会建什么？’。他认为，球形托卡马克正开始进入这个考量范围。
