美当局颁布核聚变电厂计划：“罐子中的恒星”能量用之不竭

2016-09-02 6:30:37 暂无评论佐罗网络信息 755

　　美国能源部普林斯顿等离子体试验室（简称PPPL）的物理学家们克日在期刊《核聚变》上发表了一篇论文，公布了他们研发新一代核聚变装备的计划。PPPL试验室前不久刚实现“国度球形托卡马克试验进级”，耗资约9400万美元（约合6.27亿人民币），于客岁开始运作。

新浪科技讯北京时间9月1日消息，据国外媒体报道，美国政府的科学家们计划创造一颗“罐子中的恒星”，在地球上复制出太阳和其它恒星通过核聚变产生能量的方式。如果成功的话，人类将会获得取之不尽、用之不竭的能量，再也不须要依赖化石燃料来产生电力了。

新一代核聚变装备

核聚变须要把氢原子置于低温和高压之下，直到它们聚变成为氦原子。

美国能源部普林斯顿等离子体试验室（简称PPPL）的物理学家们克日在期刊《核聚变》（Nuclear Fusion）上发表了一篇论文，公布了他们研发新一代核聚变装备的计划。“我们希望能为未来的发电厂供给新的发电途径。”该研究的主要作者乔纳森·梅纳德说道。他同时也是PPPL试验室前不久刚实现的“国度球形托卡马克试验进级”（简称NSTX-U）名目的名目主管。此次进级耗资约9400万美元（约合6.27亿人民币），由美国能源部科学办公室出资赞助，于客岁开始运作。

PPPL试验室和英格兰的卡拉姆都已经拥有了球形托卡马克安装。这些托卡马克（或者说核聚变反应堆）或能为我们进行核聚变的下一步研究供给思路，帮助科学家计划出新型核聚变安装，作为商用核聚变发电厂的试点工厂进行发电。

研究职员称，PPPL试验室的托卡马克安装在进级之后，能量更加强大，同时卡拉姆的兆安球形托卡马克（简称MAST）装备进级也即将实现，这都将使我们朝着商用核聚变发电厂的建成更进一步。PPPL试验室主管斯图尔特·普拉格指出，NSTX和MAST安装“将进一步推动物理学的开展，增进我们对低温等离子体的了解，并为核聚变的开展打下科学基础。”。

物理学上的挑衅

然而，这些安装也面临着许多物理学上的挑衅。例如，当超低温等离子体粒子暴露在强大电磁场中时，会出现剧烈的波动，这些安装必须对其加以控制。此外，它们还必须仔细地控制等离子体粒子与四四周墙间的关系，防止等离子体变得密度过大、或者受到了污染，从而阻碍核聚变的进行。PPPL试验室、卡拉姆试验室和其它试验室的研究职员都在努力寻找解决这些挑衅的方法，以便更好地研发新一代核聚变安装。

　　虽然托卡马克的计划很适合用来容纳等离子体，但一旦电流中断、或遇到了磁干扰，就会带来一些安全问题。

球形托卡马克的形状如同带核的苹果。而传统的托卡马克则更像甜甜圈，比球形托卡马克要矮胖一些。球形托卡马克能够在相对较弱、成本较低的磁场中产生高压等离子体（超低温的带电气体，被视作物质的第四种状态，是核聚变反应的关键条件）。这种特殊的能力将帮助科学家开展新一代核聚变试验，对国际热核聚变试验堆（简称ITER）加以补充。ITER位于法国，由包括美国在内的35个国度共同修建，用于研究核聚变的可能性。ITER是一台甜甜圈状的托卡马克。等修建实现之后，它将是寰球体积最大的托卡马克。

“我们之所以要研发球形托卡马克，主要是想减小应用托卡马克进行核聚变的成本。”英国原子能总署最新任命的主管、卡拉姆科学中央磁束缚聚变研究计划的带头人伊安·查普曼说道。托卡马克中央孔洞的大小是问题的关键。在球形托卡马克中，这个孔的大小只有传统托卡马克的一半，因而能够应用相对更弱的磁场来控制等离子体。孔洞缩小之后，还能够与用于产生氚（氢的一种同位素）的系统兼容。在下一代托卡马克中，氚将与氘（氢的另一种同位素）产生核聚变反应。

在试点发电厂中，研究职员希望能用超导磁体来代替核聚变安装中的铜磁体。超导磁体的效率比铜磁体高得多，但须要用更厚的防护罩来保护。不过，低温超导体近期取得了一定进展，或能大大缩小超导磁体的厚度，从而减少所占空间，也能大大降低机器的体积和造价。

反应安装的中央部分被放置归位。

研究职员还在论文中描述了一种名叫“中央束注入安装”的装备，不须要应用托卡马克中的低温线圈，就能够启动和保持等离子流。中央束注入安装会把高速运动的中性原子射进等离子体中，并对束缚和控制低温等离子体的磁场加以优化。

寰球最大的“仿星器”核聚变反应器

　　现在的试验应用的都是形如甜甜圈的反应器，如世界上最大的“仿星器”安装。该反应器名为“Wendelstein 7-X”（简称W7-X）。它能够耐得住等离子体的超低温磨练，每次时间可超过30分钟。

今年早些时候，科学家成功启动了寰球最大的“仿星器”核聚变反应器（Stellarator）。该反应器名叫“Wendelstein 7-X”（简称W7-X）。它能够耐得住等离子体的超低温磨练，每次时间可超过30分钟。核聚变反应堆（如W7-X）应用的原料是两种不同的氢原子——氘和氚，还须要把气体注入安全壳中。接下来，科学家会为其供给能量，把电子从原子中去除，形成所谓的离子等离子体，释放出巨大的能量。上周，该反应器在十分之一秒的时间内，制造出了一种特殊的超低温气体。该反应器在产生氦等离子体时，温度接近1百万摄氏度。

　　在仿星器中，等离子体由外部磁线圈进行束缚。这些磁线圈会在真空室内部四周产生弯曲的磁场线，从而牢牢地控制住其中的等离子体。

1951年，在普林斯顿大学工作的莱曼·斯皮策（Lyman Spitzer）首次提出了仿星器的概念。当时受到材料的限制，人们认为该计划太过复杂。而如今，在超级计算机和新型材料的帮助下，研究职员终于把斯皮策的设想变成了现实。

在托卡马克中，研究职员用两组磁铁来束缚等离子体。一组为外部安装，围绕着真空室，另一组则是内部变压器，用于驱动等离子体中的电流流动。这样一来，中央的磁场就会强于外部，因而托卡马克中的等离子体会朝着外壁移动，一旦撞上便会破裂。而在仿星器中，等离子体由外部磁线圈进行束缚。这些磁线圈会在真空室内部四周产生弯曲的磁场线，从而牢牢地控制住其中的等离子体，不让它们接触到容器四壁。