制造一个人造太阳可控核聚变终将到来

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2018-07-0323:58:35

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制造一个人造太阳可控核聚变终将到来，德国马普所将启动仿星器模拟恒星核聚变反应，初期实验结果与理论预测高度一致，清洁能源的到来只是时间问题。

德国马普所将启动仿星器模拟恒星核聚变反应初期实验结果与理论预测高度一致清洁能源的到来只是时间问题6月9日，德国马克思·普朗克研究所等离子体物理所宣布，将启动一款代号为W7-X的仿星器，来模拟恒星内部的核聚变反应。我们已经知道，恒星的能量来自于核心的核聚变。若想在地球上实现核聚变，就要模拟出类似的约束等离子体的高温高压环境，为此，科学家提出了一种叫做磁瓶的概念。简单地讲，磁瓶就是由平行放置的两个电流方向相同的线圈所产生的磁场，这一磁场表现为中间弱两端强，如果其中有带电粒子，其平行于磁场方向的速度分量不很小的话，那么它就会被约束在磁场内来回运动而无法逃脱。实现这一目的最简单直接的方法就是，用一系列通电线圈缠绕环形真空管道，产生的磁场是一系列同心圆磁力线，而这种磁场强度内侧大于外侧，从而产生磁力梯度，带电粒子会因此整体向外漂移撞上管壁，并加热甚至烧穿管壁材料。为了抑制漂移，需要在等离子束流中加载强大的电流来产生一个极向磁场，这种磁场与环形磁场就会合成为一个环形螺旋磁场，每根磁力线既经过上方，也会经过下方，就可以抵消电荷向外漂移，这样等离子体才能被加热到上亿度的高温，以达到核聚变的目的。这就是目前应用最广泛的托卡马克装置的原理。不过，由于等离子体电流高达上千万安，等离子体电流、密度和温度也是不均匀的，这就会带来磁岛（二维平面上表现为孤立的环状磁场）等问题，降低对等离子体的约束。而仿星器则没有在内部的等离子体束流中加载电流，而是采用形状怪异的磁铁，在管道内产生扭曲的磁瓶，就可以抵消等离子体的漂移，还能避免托卡马克中等离子体电流分部带来的不稳定性，运行就会更安全。这使得建立小型、稳态的反应堆成为可能。为了确保磁场能精确分部，研究者们对磁铁形状、等离子体运动轨迹等进行了大量的计算和实验验证，最终，在2016年下半年对磁铁线圈通电并对产生的磁场进行测量，结果显示，实际形状与计算机模拟结果偏差在十万分之一之内。在仿星器管道吸热材料——基于石墨烯的碳板——还未安装到位时，他们还进行了一些初期、低温的等离子体实验测试，在2-4兆焦、离子温度达2000电子伏的等离子体的条件下，实验结果与理论预测一致。但在全功率下W7-X只能运行10秒。现在，为了安装8000片碳板和水冷装置，仿星器管道已被再次打开。而研究者也将为W7-X设计特殊的磁场结构，形成特定“出口”对有可能泄露的等离子体进行收集。这将允许研究者测试80兆焦的能量，同时也将验证等离子体囚禁模型和仿星器是否稳定到可以满足连续工作的需求，并获得与核聚变相关的实验数据。如果W7-X通过验证且表现优异，这一类的仿星器有可能会被发展为第二代核聚变核电站。不过由于初期的投入巨大、实验测试还不成熟，可控核聚变恐怕相当一段时间内还无法成为现实。但至少，我们能够从仿星器身上看到希望，清洁能源的到来只是时间问题。