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另辟蹊径!等离子体喷枪“瞄准”可控核聚变

2019-11-06 10:35 来源:科技日报

  位于洛斯阿拉莫斯国家实验室的等离子体线性实验装置(PLX)。图片来源:美国趣味科学网站

  通过把氢原子碰撞在一起,进而产生取之不尽、用之不竭的能量,还能实现零排放——这一核聚变过程,被视为能源生产领域的“圣杯”。但几十年来,这种想法一直都有几分痴人说梦的味道。

  世易时移,随着科技不断发展,在一项充满未来主义色彩的实验和几十支等离子体喷枪的加持下,如今,科学家们可能向获得可行的核聚变能迈进了一小步。据美国趣味科学网站近日报道,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室正在进行一项等离子体线性实验(PLX),旨在结合目前两种核聚变方式之所长,另辟蹊径,实现可控的核聚变。

  能源生产领域的“圣杯”

  核聚变的潜力在于,它能产生大量能量。因为每当两个氢原子聚变成氦时,它们中的一小部分物质就转化为巨大能量。

  聚变能具有资源无限、不污染环境、不产生高放射性核废料等优点,因此一直被视为能源生产领域的“圣杯”。我们赖以生存的太阳和其他恒星一样,就是一个天然的聚变反应堆,几十年来,人们一直在努力复制太阳的能量驱动过程。

  所谓知易行难!有关原理还是很简单的,但难在实施。核聚变的问题在于,迄今还没有人知道如何以有效的方式制造出这种能量。

  目前,世界上有很多氢聚变炸弹,它们可以在瞬间释放出全部能量,然后自我摧毁并毁灭周围的其他一切事物。而现有的核聚变反应堆用掉的能量比它们创造的能量还要多。至今还没有人成功创造出一种可控且持续的核聚变反应,使其释放的能量超过制造并控制核聚变反应的设施所消耗的能量。

  目前两种主流方法

  在实现核聚变方面,目前有两种主流方法。

  其中一种叫做(等离子)磁约束,这也是所谓的托卡马克核聚变反应堆所用的原理。托卡马克核聚变反应堆利用强大的磁体,让发生核聚变的原子在机器内形成的超高温高密等离子体处于悬浮状态,以维持其持续进行核聚变而不会逃逸。

  现在托卡马克核聚变反应堆中规模最大的要属国际热核聚变实验反应堆计划(ITER)。这座机器位于法国,重达2.3万吨,计划于2035年竣工。但英国广播公司在2017年的报道中指出,鉴于该项目一直面临延期和成本超支等问题,乐观预测其要到本世纪50年代才能竣工。

  英国《自然》杂志今年10月中旬报道,英国政府近日宣布,将投资两亿英镑(2.48亿美元)建造全球首个商用核聚变发电厂,希望到2040年实现核聚变能源生产的商业化。

  英国拟建的核聚变发电厂“能源生产用球形托卡马克”(STEP)也将采用托卡马克设计方式。不过,ITER的托卡马克是甜甜圈形状的装置;而STEP则将这些超热的气体置于更紧凑的苹果核形状的装置中。

  第二种方法名为惯性约束。美国能源部下属的劳伦斯·利弗莫尔国家实验室内名为“国家点火实验设施”(NIF)的机器就采用这种方法进行核聚变。从本质上讲,NIF是一个庞大的系统,用于向含氢的微型燃料电池发射超强激光。当激光照射燃料时,氢的温度会升高,被捕获在燃料电池内部,随之发生核聚变。

  NIF具备可操作性,但它产生的能量并不比其消耗的能量多。

  PLX另辟蹊径

  据美国物理学会发布的一份声明称,PLX实验方法与上述两种方法略有不同。PLX使用磁体来限制氢,就像托卡马克核聚变反应堆一样,但让氢达到核聚变所需要的温度和压力的,是该装置球形室周围排列的等离子体喷枪喷射的等离子体热流,即该方法使用的是等离子体喷枪,而不像NIF那样使用激光。

  美国物理学会称,负责PLX项目的物理学家们利用已经安装就位的18支等离子体喷枪进行了一些初步实验。这些实验为研究人员提供了有关等离子热喷流在机器内发生碰撞时行动状态的初步数据。研究人员们表示,这些数据非常重要,因为在解释等离子体发生此类碰撞时的行动状态这一问题上,目前存在多种互相矛盾的理论模型。

  洛斯阿拉莫斯国家实验室称,研究小组希望明年初将剩余的18支等离子体喷枪安装到位,并在明年底利用全套36支等离子体喷枪进行实验。他们希望,PLX实验首创的这种方法可让科学家们制造出核聚变能量,并且其生产效率具备实用价值。

(责任编辑:王蔚)

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