60多年來，科學(xué)家們一直夢想著掌握如太陽般制造能量的技術(shù)，獲得永不枯竭的清潔廉價(jià)能源形式：核聚變。直到今天，這一愿景仍似近實(shí)遠(yuǎn)。但德國馬克斯·普朗克研究所近日開啟的世界最大核聚變研究設(shè)備仿星器（Stellarator），有望加速核聚變時(shí)代的到來。
所謂仿星器，顧名思義，就是對恒星的模仿，實(shí)際上是一種核聚變反應(yīng)裝置。仿星器通過模仿恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)，將等離子態(tài)的氫同位素氚和氘約束起來，并加熱至1億攝氏度的高溫，發(fā)生核聚變以獲得持續(xù)不斷的能量。
馬克斯·普朗克研究所下屬的等離子體物理研究所10日宣布，用于研究核聚變反應(yīng)的世界最大仿星器“Wendelstein 7-X”（W7-X）當(dāng)天開始運(yùn)行，并首次制造出氦等離子體。“W7-X”是世界上最大的仿星器聚變裝置，用來研究仿星器裝置應(yīng)用于聚變電站的適用性和可行性。
這座受控核聚變裝置由馬克斯·普朗克等離子體物理研究所承建，位于德國東北部城市格賴夫斯瓦爾德，項(xiàng)目投資達(dá)10億歐元，目前已投入約3.7億歐元。在經(jīng)過9年的建造、超過100萬個(gè)工時(shí)的組裝之后，這一大型裝置的主要組裝工作于2014年4月完成。隨后，研究人員開始準(zhǔn)備工作，對所有技術(shù)系統(tǒng)逐一進(jìn)行測試。
12月10日當(dāng)天，研究人員向“W7-X”內(nèi)部的等離子體容器中注入大約一毫克氦氣，并打開微波加熱裝置，氦等離子體隨之產(chǎn)生。雖然“W7-X”首次制造出的氦等離子體放電僅持續(xù)十分之一秒，溫度達(dá)到了1000，000攝氏度，但研究人員對這一結(jié)果依然十分滿意，表示“一切都在按計(jì)劃進(jìn)行”。對科學(xué)家們而言，下一個(gè)任務(wù)是延長等離子體的放電時(shí)間，并研究使用微波產(chǎn)生和加熱氦等離子體的最好方法。
“我們從惰性氣體氦氣開始制造等離子體，明年才會(huì)換成真正的研究對象——氫等離子體，”項(xiàng)目主管托馬斯·克林格爾（Thomas Klinger）說，“因?yàn)閷⒑庾兂傻入x子體更為容易，我們還能用氦等離子體清潔容器表面。”
12月10日當(dāng)天，研究人員向“W7-X”內(nèi)部的等離子體容器中注入大約一毫克氦氣，并打開微波加熱裝置，氦等離子體隨之產(chǎn)生。雖然“W7-X”首次制造出的氦等離子體放電僅持續(xù)十分之一秒，溫度達(dá)到了1000，000攝氏度，但研究人員對這一結(jié)果依然十分滿意，表示“一切都在按計(jì)劃進(jìn)行”。對科學(xué)家們而言，下一個(gè)任務(wù)是延長等離子體的放電時(shí)間，并研究使用微波產(chǎn)生和加熱氦等離子體的最好方法。
“我們從惰性氣體氦氣開始制造等離子體，明年才會(huì)換成真正的研究對象——氫等離子體，”項(xiàng)目主管托馬斯·克林格爾（Thomas Klinger）說，“因?yàn)閷⒑庾兂傻入x子體更為容易，我們還能用氦等離子體清潔容器表面。”
可控核聚變一直被視為人類徹底解決能源危機(jī)的終極模式。核聚變反應(yīng)所需的氚和氘在自然界中廣泛存在，1公斤核聚變原料產(chǎn)生的電能等同于1.1萬噸煤產(chǎn)生的電能。核聚變反應(yīng)堆比目前核電站的核裂變反應(yīng)堆產(chǎn)生的核廢料更少，放射性也會(huì)在短期內(nèi)消失。
相比之下，核聚變反應(yīng)堆最為常見的設(shè)計(jì)叫做托卡馬克裝置（Tokamak）。這種形似甜甜圈的裝置是呈圓形線圈的中空金屬結(jié)構(gòu)，全球范圍內(nèi)目前有超過36臺托卡馬克正在運(yùn)行，歷史上曾建成過200多臺。當(dāng)燃料在加熱到1.5億攝氏度以上時(shí)，就能形成高溫等離子體。
多年來，由于用來產(chǎn)生等離子體的磁線圈裝置優(yōu)于目前正在運(yùn)行的仿星器，托卡馬克裝置中一直被視為最具前景的“人造太陽”方式。同時(shí)，該類裝置也更易建成、能更理想地約束等離子體。但不容忽視的是，托卡馬克裝置也暴露出一些安全風(fēng)險(xiǎn)，比如當(dāng)電流故障時(shí)，磁場就會(huì)立即崩潰。
這種崩潰會(huì)導(dǎo)致磁場力的釋放，并足以損壞反應(yīng)堆。在發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志的深度報(bào)告中，馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家稱，“W7-X”裝置是一個(gè)更加實(shí)用的選擇，可以克服托卡馬克裝置存在的安全問題。
這種崩潰會(huì)導(dǎo)致磁場力的釋放，并足以損壞反應(yīng)堆。在發(fā)表于《科學(xué)》（Science）雜志的深度報(bào)告中，馬克斯·普朗克研究所的科學(xué)家稱，“W7-X”裝置是一個(gè)更加實(shí)用的選擇，可以克服托卡馬克裝置存在的安全問題。
與托卡馬克相比，“W7-X”不但安全性更高，其最大特點(diǎn)是一次運(yùn)行可以連續(xù)約束超高溫等離子體長達(dá)30分鐘，而托克馬克方式的這一約束時(shí)間最高紀(jì)錄僅為6分30秒。
實(shí)現(xiàn)對超高溫等離子體的長時(shí)間約束是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)領(lǐng)域的“圣杯”，這意味著控制核聚變的進(jìn)程，也就是說可以控制核聚變的開始和停止，并隨時(shí)對反應(yīng)速度進(jìn)行調(diào)控。因此“W7-X”等仿星器設(shè)計(jì)方案被認(rèn)為是未來核電站反應(yīng)堆的發(fā)展方向。
轉(zhuǎn)載請注明出處。
相關(guān)文章
熱門資訊
精彩導(dǎo)讀
關(guān)注我們
