迈向核聚变动力的马拉松竞赛可能会达到一个冲刺阶段

今年9月,在法国南部的圣保罗-勒兹-杜兰斯(Saint-Paul-lez-Durance),一块巨大的磁铁被拆除,被纳入国际热核实验反应堆(ITER),这是一个试图证明核聚变技术可行性的重大国际合作项目。

在大洋彼岸,巨大的磁体到达后的几天内,麻省理工学院的一组研究人员与私营公司联邦聚变系统(Commonwealth Fusion Systems)合作,宣布了他们在经济核聚变竞赛中的最新成就:这是对他们的SPARC实验的一次成功测试,该实验在一个相对较小的高温超导磁体上运行。这两个磁铁驱动的实验代表了两种实现核聚变能量的方法,这是能源研究的圣杯。

核聚变已经实现了。受控核聚变功率的纪录保持者是一台被称为JET的机器,它在20世纪90年代末产生了16兆瓦的核聚变功率。物理学家和工程师现在所面临的困难是如何从核聚变反应堆中获得比运行反应的机器所使用的更多的能量。

核聚变是一种能产生巨大能量的反应,但它不会在地球上自然发生。如果人类能够安全和经济地从核聚变反应中产生比反应所需更多的能量,我们将不再依赖煤炭、石油和天然气等碳基能源。

核聚变描述了当两个原子的轻核融合成一个核时发生的反应。在这个过程中,大量的能量被释放出来。要想发生核聚变,物质需要有极高的能量,这意味着它们需要非常非常高的温度。正是核聚变使太阳发光,氢原子结合形成氦,并在此过程中释放能量。如果科学家们能在地球上实现这一过程,并大规模实现这一过程,那么通过剔除化石燃料,能源将变得更加清洁。

所有这些都不能与核裂变混淆,核裂变驱动着今天的核电站,并通过分裂重核来产生能量。核裂变产生的能量比核聚变少,并且核聚变不会产生的放射性废料。

ITER和SPARC都依赖于托卡马克(tokamaks)装置,该装置最早发明于20世纪50年代,用于限制由粒子组成的过热等离子体,这些粒子可以相互作用产生聚变反应。托卡马克是在圆环中建造的,这只是几何学家说圆环形状的一种方式。托卡马克并不是唯一为聚变而制造的机器:还有恒星加速器,它们与托卡马克相似,但更曲折。

这些装置是用来产生磁场的,以容纳使核聚变成为可能的等离子体。最近新闻中提到的磁体(ITER的超大磁体和SPARC的相对较小磁体)是托卡马克的一部分,用来限制等离子体,使其不与普通物质接触。

ITER的磁铁是一个110吨的组件,最终由六个组件组成的中央螺线管磁铁,据美国能源部(Department of Energy)称,一旦建成,中央螺线管将成为有史以来最大的超导磁体,其磁场强度接近地球磁场的30万倍。整个托卡马克重达23,000吨。ITER的目标是产生10倍于机器所需能量的核聚变能量,但这只是机器试图实现的核聚变平衡,它没有考虑投入系统产生初始等离子体的电量。因此,能够产生净功率的整个操作是一个更高的目标。

马克斯·普朗克等离子体物理研究所(Max Planck Institute for Plasma Physics)专攻核聚变的物理学家安娜·科勒介绍说:“有了两倍强的磁场,你可以用两倍小的设备来实现同样的性能。但直到最近,这条轨道几乎还是一条死胡同,等待超导体方面的技术推动。”

科勒说,正如人们对需要很长时间建造、操作和更新的极其复杂的机器所期待的那样,核聚变实验需要某种“恒定的管道胶带”。这个大型的国际合作项目,ITER 40年前就开始构思了在这个过程中有过一些延迟。ITER和MIT-CFS团队都在朝着核聚变反应的目标努力,ITER目前预计在2025年运行第一个等离子体,与此同时,MIT-CFS预计SPARC将在同年完成。作为回报,SPARC正在为一个名为ARC的试验性聚变工厂奠定科学基础,该工厂可能在2030年初投入使用。这两个项目实际上都不会向电网供电,这些实验试图证明聚变本身的原理,即产生的能量比用来产生反应的能量要多。

科勒说:“这不是那种最终目标是羞辱和彻底消灭对手的比赛。这是一场我们可以在未来合作的核聚变研究多样性的竞赛。”

在过去的50年里,格林沃尔德一直致力于核聚变的研究,但麻省理工学院团队最近的技术创新是一个分水岭。他说:“利用高温超导体获得更高磁场的想法在某种程度上已经存在于我们的DNA中。”但直到最近的工程突破之前,该团队不知道如何实现这一想法。

现在,MIT-CFS团队正在全力推进SPARC,这是最终ARC反应堆的技术演示。ARC将以同样的方式建造,将一层一层的扁平超导材料堆叠在一起,并冷却到20开尔文以产生磁场。ARC取决于SPARC证明这一概念的能力。格林沃尔德说:“下一步是要做得更大一点,让整个设施都能发电。”

虽然ARC将是SPARC的两倍大,但它仍然比ITER小得多,后者是用更大的容器来容纳更多的等离子体,因此增加了聚变反应的可能性。麻省理工学院发布的一份新闻稿称,麻省理工学院- cfs研究小组的新磁体使设备能够进行与体积大40倍的机器相似的核聚变。

当然,这说起来容易做起来难,多年的研究证明了这一点。如果核聚变能成为通向清洁能源未来的有效途径,它就需要相对便宜且可扩展。科勒说:“我们是物理学家,我们必须对任何事情都持怀疑态度,但我们需要乐观的态度。”

说到融合,有传道士、怀疑论者和所谓的现实主义者,尽管很难找出谁的期望最接近现实。关于核聚变能量,流传着这样一个笑话:它永远是30年后的事,在科学地平线之外的某个地方。不管你认为核聚变是白日梦还是即将实现,已经取得的进展是不可否认的。也许——只是也许——我们会在接下来的十年里看到一些进步。

作者:是柚子呀,如若转载,请注明出处:https://eozlab.com/zirankexue/wuli/1915.html