美国能源部计划研发新一代核聚变装置全球各国纷纷发力以探索核聚变

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2018-07-0323:58:41
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美国能源部计划研发新一代核聚变装置全球各国纷纷发力以探索核聚变

日前,美国能源部普林斯顿等离子体实验室在最新一期《核聚变》杂志上发表了一篇论文,公布了他们正在研发新一代核聚变设备计划的相关信息。而前不久,普林斯顿等离子体实验室刚刚完成了“美国国家球形托卡马克实验”项目的升级。下面,我们通过节目之前的部分片段,再来了解一下“核聚变”,然后,我们再来介绍一下当前全球在“核聚变”方面的一些进展情况。美国能源部计划研发新一代核聚变装置全球各国纷纷发力以探索核聚变通过以上介绍,我们可以了解到:当前世界关于核聚变的产生方式,主要有两种:一是惯性约束核聚变,或称为激光约束核聚变,美国的国家点火装置和中国的神光-Ⅲ主机装置都是这种方式。另外一种方式,则是目前看起来可能最有发展前途的磁约束核聚变。而磁约束核聚变经过多年发展探索,也演化出了三种形式:圆环托卡马克装置、球形托卡马克装置和仿星器。目前,全球已经拥有托卡马克装置的国家绝大多数采用的都是圆环托卡马克装置,包括国际热核聚变实验堆计划,ITER计划,采用的也是这种形式。圆环托卡马克装置在等离子约束性能方面有一定优势,但是由于其等离子电流的不稳定性,容易发生“大破裂”故障,进而对反应装置造成损坏。在托卡马克装置中,研究人员是用两组磁铁来约束等离子体。一组为外部装置,围绕着真空室,另一组则是内部变压器,用于驱动等离子体中的电流流动。这样一来,中心的磁场就会强于外部,因此托卡马克中的等离子体会朝着外壁移动,一旦撞上便会破裂。因此,当前科学家对托卡马克的研究,很大一部分精力就是用在了避免“大破裂”上。而仿星器由于构造上的原因,它内部的等离子体是由外部磁线圈进行约束。美国能源部计划研发新一代核聚变装置全球各国纷纷发力以探索核聚变这些磁线圈会在真空室内部周围产生弯曲的磁场线,从而牢牢地控制住其中的等离子体,不让它们接触到容器四壁。因此,它不存在大破裂的风险,运行起来也就更加稳定。但是,仿星器的建造对工艺要求极高,费用也很是高昂,目前全球仅日本和德国建有仿星器。其中,德国的Wendelstein 7-X是世界上最大的仿星器装置,简称:W7-X,其造价高达10亿欧元。今年3月,W7-X完成了第一轮,总计超过2000多次的实验,等离子体脉冲的持续时间从最初的半秒,达到了6秒。目前,该仿星器正在升级改造,预计4年后,等离子体脉冲持续时间将可以持续30分钟。而磁约束核聚变的第三种形式:球形托卡马克装置,相比于圆环托卡马克装置,它的内部孔洞较小,仅有圆环托卡马克装置孔洞的一半。这样,球形托卡马克装置就可以在相对较弱、成本较低的磁场中产生高压等离子体。目前,在全球范围内,采用球形托卡马克装置的主要有英国卡拉姆聚变能研究中心的兆安球形托卡马克MAST,俄罗斯的Globus-M、以及节目开头提到的,美国能源部普林斯顿等离子体实验室的“国家球形托卡马克装置NSTX”。本次普林斯顿等离子体实验室发表在《核聚变》杂志上的论文中,研究人员描述了一种名叫“中心束注入装置”的设备,它能够启动和保持等离子流,并对约束和控制高温等离子体的磁场加以优化。除以上这些由国家机构所进行的大型可控核聚变项目之外,一些大学和商业公司也在进行可控核聚变方面的研究,不过,它们的可控核聚变规模更小。如:中国科学技术大学正在研发一种名为“反场箍缩磁约束聚变”,简称“科大一环”的实验装置。该装置半径仅为1.4米,目前已经于2015年11月3日实现了首次试验放电。美国麻省理工学院在去年发布了一个名为ARC的核聚变反应堆项目。它计划采用一种名叫稀土钡铜氧化物的超导材料。其结果,是可以使核聚变反应的磁场强度翻倍,并使核聚变所释放的能量提高到一个数量级的水平。而美国老牌军工巨头洛克希德马丁公司之前也宣布,称其已在可控核聚变方面取得技术突破,第一个小至可安装在卡车后端的小型反应堆有望在十年内诞生。美国能源部计划研发新一代核聚变装置全球各国纷纷发力以探索核聚变虽然,现在看起来,实现“可控核聚变”对于我们人类来说,依旧困难重重,好像是一个不可能完成的任务。但从长远来看,核能必将是人类继石油、煤和天然气之后的主要能源,人类终将从“石油文明”走向“核能文明”。核能将是最终解决人类社会能源问题和环境问题、推动人类社会可持续发展的重要途径。我们这一代或将在有生之年有幸看到:可控核聚变发电造福人类的那一天。

United States Department of Energy

美国能源部

美国能源部于1977年成立于美国,是美国联邦政府直属能源技术管理研发部门,创始人为吉米·卡特。现任部长为里克·佩里。

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