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德国欲造“人造太阳” 十分之一秒加热至百万度

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发表于 2015-12-20 00:04:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

60多年来,科学家们一直梦想着掌握如太阳般制造能量的技术,获得永不枯竭的清洁廉价能源形式:核聚变。直到今天,这一愿景仍似近实远。但德国马克斯·普朗克研究所近日开启的世界最大核聚变研究设备仿星器(Stellarator),有望加速核聚变时代的到来。

所谓仿星器,顾名思义,就是对恒星的模仿,实际上是一种核聚变反应装置。仿星器通过模仿恒星内部持续不断的核聚变反应,将等离子态的氢同位素氚和氘约束起来,并加热至1亿摄氏度的高温,发生核聚变以获得持续不断的能量。

马克斯·普朗克研究所下属的等离子体物理研究所10日宣布,用于研究核聚变反应的世界最大仿星器“Wendelstein 7-X”(W7-X)当天开始运行,并首次制造出氦等离子体。“W7-X”是世界上最大的仿星器聚变装置,用来研究仿星器装置应用于聚变电站的适用性和可行性。

这座受控核聚变装置由马克斯·普朗克等离子体物理研究所承建,位于德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德,项目投资达10亿欧元,目前已投入约3.7亿欧元。在经过9年的建造、超过100万个工时的组装之后,这一大型装置的主要组装工作于2014年4月完成。随后,研究人员开始准备工作,对所有技术系统逐一进行测试。

12月10日当天,研究人员向“W7-X”内部的等离子体容器中注入大约一毫克氦气,并打开微波加热装置,氦等离子体随之产生。虽然“W7-X”首次制造出的氦等离子体放电仅持续十分之一秒,温度达到了1000,000摄氏度,但研究人员对这一结果依然十分满意,表示“一切都在按计划进行”。对科学家们而言,下一个任务是延长等离子体的放电时间,并研究使用微波产生和加热氦等离子体的最好方法。

“我们从惰性气体氦气开始制造等离子体,2016年才会换成真正的研究对象——氢等离子体,”项目主管托马斯·克林格尔(Thomas Klinger)说,“因为将氦气变成等离子体更为容易,我们还能用氦等离子体清洁容器表面。”

12月10日当天,研究人员向“W7-X”内部的等离子体容器中注入大约一毫克氦气,并打开微波加热装置,氦等离子体随之产生。虽然“W7-X”首次制造出的氦等离子体放电仅持续十分之一秒,温度达到了1000,000摄氏度,但研究人员对这一结果依然十分满意,表示“一切都在按计划进行”。对科学家们而言,下一个任务是延长等离子体的放电时间,并研究使用微波产生和加热氦等离子体的最好方法。

“我们从惰性气体氦气开始制造等离子体,2016年才会换成真正的研究对象——氢等离子体,”项目主管托马斯·克林格尔(Thomas Klinger)说,“因为将氦气变成等离子体更为容易,我们还能用氦等离子体清洁容器表面。”

可控核聚变一直被视为人类彻底解决能源危机的终极模式。核聚变反应所需的氚和氘在自然界中广泛存在,1公斤核聚变原料产生的电能等同于1.1万吨煤产生的电能。核聚变反应堆比目前核电站的核裂变反应堆产生的核废料更少,放射性也会在短期内消失。

相比之下,核聚变反应堆最为常见的设计叫做托卡马克装置(Tokamak)。这种形似甜甜圈的装置是呈圆形线圈的中空金属结构,全球范围内目前有超过36台托卡马克正在运行,历史上曾建成过200多台。当燃料在加热到1.5亿摄氏度以上时,就能形成高温等离子体。

多年来,由于用来产生等离子体的磁线圈装置优于目前正在运行的仿星器,托卡马克装置中一直被视为最具前景的“人造太阳”方式。同时,该类装置也更易建成、能更理想地约束等离子体。但不容忽视的是,托卡马克装置也暴露出一些安全风险,比如当电流故障时,磁场就会立即崩溃。

这种崩溃会导致磁场力的释放,并足以损坏反应堆。在发表于《科学》(Science)杂志的深度报告中,马克斯·普朗克研究所的科学家称,“W7-X”装置是一个更加实用的选择,可以克服托卡马克装置存在的安全问题。

与托卡马克相比,“W7-X”不但安全性更高,其最大特点是一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟,而托克马克方式的这一约束时间最高纪录仅为6分30秒。

实现对超高温等离子体的长时间约束是反应堆设计领域的“圣杯”,这意味着控制核聚变的进程,也就是说可以控制核聚变的开始和停止,并随时对反应速度进行调控。因此“W7-X”等仿星器设计方案被认为是未来核电站反应堆的发展方向


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