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用托卡馬克和仿星器實現磁聚變約束
[ 發布時間:2021-07-14 ]   [ 信息來源: 國際原子能機構 ]  [ 字號: ]

  1934年,實驗室首次實現了核聚變反應,成為當時一項重大突破。然而,今天,實現核聚變反應并不太難:2018年,一個12歲孩子在家成功制造了一個核聚變實驗裝置,作為這方面最年輕的人進入吉尼斯世界紀錄。


  不幸的是,這些實驗產生的脈沖只持續不到一秒的時間,實現和長時間地維持這種核聚變反應仍然是一個重大挑戰。只有開發出一種穩定可靠的核聚變發電方式,核聚變才能成為一種商業可行的能源。


  核聚變發電


  核聚變發電利用輕原子核“聚變”所釋放的能量。當兩個輕原子核融合時,所產生的原子核質量比原來兩個原子核質量之和略輕。這一質量差沒有消失,而是被轉化為能量。令人驚訝的是,這種微小的質量損失轉化為巨大的能量,使得追求核聚變能非常值得。


  物質通常有三種狀態:固態、液態和氣態。如果氣體被置于極高溫下,就會變成等離子體。在等離子體中,電子被從原子中剝離出來。失去圍繞原子核運行電子的原子被認為處于電離狀態,并被稱為離子。因此,等離子體是由離子和自由電子組成的。在這種狀態下,科學家們可以激發離子,使其相互碰撞、聚變,并釋放能量。


  為提取能量而保持等離子體穩定,這比較困難。等離子體處于無序狀態、超熱,易發生混沌和其他不穩定性。雖然對等離子體的認識、建模和控制極其復雜,但研究人員在過去的幾十年里已取得巨大的進步。


  科學家們使用磁約束裝置操縱等離子體。此類最常見聚變反應堆是托卡馬克和仿星器。對未來聚變能電廠而言,目前這些是前景最好的概念。


  這兩種類型反應堆均利用帶電粒子與磁力發生反應這一事實。反應堆中的強磁體使離子受到約束。電子也被反應堆的力所束縛,并在周圍環境中起作用。磁力不斷地使這些粒子在其環形反應堆內旋轉,以防止它們逃離等離子體。


  同樣的挑戰,不同的解決方案


  由于仿星器構型在建造上具有挑戰性,當今大多數核聚變實驗裝置都是托卡馬克(俄文表述簡稱,譯為“具有磁線圈的環形真空室”)。目前大約有60個托卡馬克和10個仿星器在運行。


  兩種類型反應堆各具優勢。托卡馬克在保持等離子體溫度方面更出色,而仿星器在保持等離子體穩定方面更出色。盡管托卡馬克目前很流行,但仿星器仍有可能在某一天成為未來聚變能電廠的首選。


  研究人員在磁約束核聚變方面已取得巨大的進步,現在可以輕松實現極高溫度的等離子體。他們已開發出操作等離子體的強大磁體,并開發出能夠承受反應堆容器內具有挑戰性工況的新型材料。實驗、理論、建模和模擬方面的進展使人們對等離子體行為有了更深入的了解,而像ITER等托卡馬克和仿星器實驗裝置將在證明聚變能生產的科學和技術可行性方面發揮核心作用。


  托卡馬克如何工作:


  


由變壓器引起的電場驅動電流(紅色大箭頭)通過等離子體柱,產生一個極向磁場,將等離子體電流彎曲成一個圓形(綠色垂直圓圈)。將等離子體柱彎曲成一個圓圈可以防止泄漏,并且在一個環形容器內這樣做會形成一個真空。另一個圍繞圓圈長度的磁場被稱為環形磁場(綠色水平圓圈)。這兩個場結合形成一個類似螺旋結構(黑色所示)的三維曲線,等離子體在其中受到高度約束。


  (王玉薈譯)

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