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科學家另辟蹊徑!用等離子體噴槍“瞄準”可控核聚變

2019-11-06 15:09:32 來源:科技日報

位于洛斯阿拉莫斯國家實驗室的等離子體線性實驗裝置(PLX)。圖片來源:美國趣味科學網站

記者 劉 霞

通過把氫原子碰撞在一起,進而產生取之不盡、用之不竭的能量,還能實現零排放——這一核聚變過程,被視為能源生產領域的“圣杯”。但幾十年來,這種想法一直都有幾分癡人說夢的味道。

世易時移,隨著科技不斷發展,在一項充滿未來主義色彩的實驗和幾十支等離子體噴槍的加持下,如今,科學家們可能向獲得可行的核聚變能邁進了一小步。據美國趣味科學網站近日報道,美國洛斯阿拉莫斯國家實驗室正在進行一項等離子體線性實驗(PLX),旨在結合目前兩種核聚變方式之所長,另辟蹊徑,實現可控的核聚變。

能源生產領域的“圣杯”

核聚變的潛力在于,它能產生大量能量。因為每當兩個氫原子聚變成氦時,它們中的一小部分物質就轉化為巨大能量。

聚變能具有資源無限、不污染環境、不產生高放射性核廢料等優點,因此一直被視為能源生產領域的“圣杯”。我們賴以生存的太陽和其他恒星一樣,就是一個天然的聚變反應堆,幾十年來,人們一直在努力復制太陽的能量驅動過程。

所謂知易行難!有關原理還是很簡單的,但難在實施。核聚變的問題在于,迄今還沒有人知道如何以有效的方式制造出這種能量。

目前,世界上有很多氫聚變炸彈,它們可以在瞬間釋放出全部能量,然后自我摧毀并毀滅周圍的其他一切事物。而現有的核聚變反應堆用掉的能量比它們創造的能量還要多。至今還沒有人成功創造出一種可控且持續的核聚變反應,使其釋放的能量超過制造并控制核聚變反應的設施所消耗的能量。

目前兩種主流方法

在實現核聚變方面,目前有兩種主流方法。

其中一種叫做(等離子)磁約束,這也是所謂的托卡馬克核聚變反應堆所用的原理。托卡馬克核聚變反應堆利用強大的磁體,讓發生核聚變的原子在機器內形成的超高溫高密等離子體處于懸浮狀態,以維持其持續進行核聚變而不會逃逸。

現在托卡馬克核聚變反應堆中規模最大的要屬國際熱核聚變實驗反應堆計劃(ITER)。這座機器位于法國,重達2.3萬噸,計劃于2035年竣工。但英國廣播公司在2017年的報道中指出,鑒于該項目一直面臨延期和成本超支等問題,樂觀預測其要到本世紀50年代才能竣工。

英國《自然》雜志今年10月中旬報道,英國政府近日宣布,將投資兩億英鎊(2.48億美元)建造全球首個商用核聚變發電廠,希望到2040年實現核聚變能源生產的商業化。

英國擬建的核聚變發電廠“能源生產用球形托卡馬克”(STEP)也將采用托卡馬克設計方式。不過,ITER的托卡馬克是甜甜圈形狀的裝置;而STEP則將這些超熱的氣體置于更緊湊的蘋果核形狀的裝置中。

第二種方法名為慣性約束。美國能源部下屬的勞倫斯·利弗莫爾國家實驗室內名為“國家點火實驗設施”(NIF)的機器就采用這種方法進行核聚變。從本質上講,NIF是一個龐大的系統,用于向含氫的微型燃料電池發射超強激光。當激光照射燃料時,氫的溫度會升高,被捕獲在燃料電池內部,隨之發生核聚變。

NIF具備可操作性,但它產生的能量并不比其消耗的能量多。

PLX另辟蹊徑

據美國物理學會發布的一份聲明稱,PLX實驗方法與上述兩種方法略有不同。PLX使用磁體來限制氫,就像托卡馬克核聚變反應堆一樣,但讓氫達到核聚變所需要的溫度和壓力的,是該裝置球形室周圍排列的等離子體噴槍噴射的等離子體熱流,即該方法使用的是等離子體噴槍,而不像NIF那樣使用激光。

美國物理學會稱,負責PLX項目的物理學家們利用已經安裝就位的18支等離子體噴槍進行了一些初步實驗。這些實驗為研究人員提供了有關等離子熱噴流在機器內發生碰撞時行動狀態的初步數據。研究人員們表示,這些數據非常重要,因為在解釋等離子體發生此類碰撞時的行動狀態這一問題上,目前存在多種互相矛盾的理論模型。

洛斯阿拉莫斯國家實驗室稱,研究小組希望明年初將剩余的18支等離子體噴槍安裝到位,并在明年底利用全套36支等離子體噴槍進行實驗。他們希望,PLX實驗首創的這種方法可讓科學家們制造出核聚變能量,并且其生產效率具備實用價值。

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