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神秘公司突破反应堆极限
在超高温下使等离子体保持5毫秒稳定
2015-09-09|点击: | 【 【打印】【关闭】

   

  核聚变反应堆“反场位形”:一股利用自身磁场结合在一起的环形等离子体。

  在美国洛杉矶南部一个郊区工业园里,研究人员朝着掌控核聚变—— 一种能提供丰富、廉价、清洁能源的过程——迈出了重要一步。一家名为三阿尔法能源的私人投资公司建造了一台能形成一团超热气体(约1000万摄氏度)的机器,并且使其在没有衰变的情况下保持了5毫秒的稳定。这看上去只是眨眼之间,但已经比利用此项技术的其他研究长了很多,而且首次证实将气体保持在稳态下是可能的。

  作为三阿尔法顾问委员会一员的斯坦福大学粒子物理学家Burton Richter表示,如果公司科研人员能将技术升级至更长的时间和更高的温度,他们将达到这样一个阶段,即气体中的原子核发生足以使其融合在一起的强有力碰撞,从而释放能量。

  “直至你学会控制并且驯服炽热气体,否则它永远不会有什么作用。而他们似乎已经找到了驯服它的方法。”竞争对手、核聚变初创公司——圣地亚哥能量/物质转化公司负责人Jaeyoung Park说,“下一个问题是你能在多大程度上将热量限制在气体中。我以最大的善意揣度他们,并且想在接下来的两三年里观察他们的举动。”

  尽管其他初创公司也在尝试利用类似方法实现核聚变,但这个领域的主要工作还是诸如耗资200亿美元、由一个国际协作组正在法国建设的国际热核实验反应堆(ITER)和美国能源部耗资40亿美元、位于加州利弗莫尔的国家点火装置等政府资助的大型项目。然而,不断攀升的成本和此类项目的复杂性正在让很多人怀疑,他们能否创立用可承受的成本产生能源的发电厂。

  三阿尔法和类似的努力采取了一种不同的方法,有望创立能被更快速研制出来的更加简单和廉价的机器。重要的是,相较于大多数其他核聚变反应堆,三阿尔法的机器或许能利用不同的燃料运行。这种由氢和硼混合在一起的燃料比较难发生反应,但三阿尔法的研究人员表示,它避免了传统核聚变发电厂可能面临的很多问题。“他们走到今天这一步,是因为人们坚信能使氢—硼反应堆运行。”三阿尔法公司顾问、康奈尔大学等离子体物理学家David Hammer表示。

  不过,并未参与此项目的普林斯顿大学等离子体物理学家Jon Menard介绍说,燃烧氢—硼燃料需要30多亿摄氏度的超高温,而这将“非常具有挑战性”。在他看来,很难预测气体在高温下将如何表现。“我有点担心,他们的模拟试验落后于经验。”Menard表示,但这种方法“值得进一步研究”。

  像其他核聚变技术一样,三阿尔法的设备旨在困住气体,但它是如此的炽热,以至于原子被剥去了电子,产生被称为等离子体的电子和离子混合物。如果离子在力的作用下相互碰撞会发生融合,从而将一部分质量转化成能量。不过,这需要至少1亿摄氏度的高温,热到足以熔化任何容器。因此,反应堆设计者面临的第一个挑战是如何在不碰触到等离子体的情况下将其困住。像NIF一样的设备能使等离子体迅速聚爆,从而依靠内在惯性使其维持足够长的时间发生核聚变反应。与此相反,ITER利用被称为托卡马克的环形室内强有力的磁场,使等离子体保持稳定。一部分磁场由超导磁体的复杂网络提供,其他部分则由像电流一样围绕环形流动的等离子体本身提供。

  三阿尔法的机器也能产生环形等离子体,但粒子的流动产生了将等离子体结合在一起的全部磁场。这种被称为反场位形(FRC)的方法自上世纪60年代起便为人所知。然而,尽管进行了几十年的研究,但科学家只能使等离子体团在散开或熔化前维持约0.3毫秒。1997年,出生于加拿大的加州大学欧文分校物理学家Norman Rostoker和同事提出了一种新方法。第二年,他们成立了目前坐落于一间不起眼且无任何标记的厂房中的三阿尔法公司。从桌面设备的建造开始,公司到去年已有150名雇员,并且正致力于研发C-2——被磁体环绕且控制设备、诊断仪器和粒子束生成器密集的23米长管子。这台机器会形成两股环形等离子体——两端附近各一股,并且以每小时近100万公里的速度将其射向中间。在中心处,它们融合形成更大的FRC,并将其动能转化成热能。

  该公司一位要求匿名的投资人表示:“从我们开始投资以来,此次突破是第一次让人感觉到好像石头正开始往山下滚而不是将其向上推。”(宗华)

  《中国科学报》 (2015-09-02 第3版 国际)

 
 
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