@ 2015.07.05 , 19:30

核聚变的另一种途径:往小里想

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核聚变是太阳和恒星的能源,有一个世界性的科学探索来产生它作为一种清洁、可持续的能源。

在欧洲,国际科学界已支持了大型核聚变反应堆,例如英国的欧洲联合环形(JET)试验和目前正在法国建造的国际热核聚变实验反应堆(ITER)

但一组英国研究者说关键是想得更小,和把球状反应堆(常规形状反应堆的变形版本)与高温超导体搭配到一起,加快聚变能源的发展。它们的早期原型设备直径有1.2米,下一步,他们的目标是制造高3米,直径2.5米的机器。

“对这些设备的主流观点是你必须造得越来越大才能产生聚变能量。但我们着手使尝试使用这些高温超导体,”托卡马克能源的物理学家兼CEO David Kingham告诉我,“而不是使更大的反应堆,你得到一个更强的[磁]场,使你能有效地约束等离子体。”

托卡马克能源是一家位于英国的聚变能创业公司,其目的是在未来十年内产生大量、安全,和零CO2排放的清洁能源。它说如果成功,聚变能可以改变地球的能源格局。“只要1公斤聚变燃料释放的能量相当于一万吨化石燃料,”托卡马克能源物理学家和商务拓展经理Melanie Windridge在英国皇家学会夏季展览告诉我。

对于新手来说,聚变是通过在超过一亿度的温度下迫使较小的氢原子同位素融合产生较大的氦原子发生的。这个过程在称为“托卡马克”的面包圈形机器中完成,它使用磁场来束缚产生较大原子释放能量时生成的等离子体(带电气体)。

“我们的想法是托卡马克就像一个磁瓶。在太阳里等离子体被太阳的引力约束到位。如果我们想要在地球上得到聚变,我们必须有某些其他手段来保持高温高压等离子体一段长时间,而磁场是这样做的一个好办法,”Kingham的说,“你不能用固态材料因为等离子体温度为一亿度,会融化或腐蚀任何接触它的物体。”

Kingham的解释道,第一个超导磁铁用低温超导体制成。“它们用液氦冷到约四开尔文才能工作,这是绝对零度以上四度。”他说。

然而这些第一代超导体不能在强磁场下很好工作。与此相反,目前托卡马克能源使用的的高温超导体能承受20-30开尔文的温度和20-30特斯拉的磁场。为了在一个紧凑的托卡马克中实现融合条件,重要的是要有非常高的磁场使得等离子体能被约束在一个较小的容器中。

“首先,我们希望得到一个非常高的能量场,这种材料[超导体]可以做到。其次,我们不希望花费大量能量来冷却磁体,所以我们要运行在尽可能高的温度上,但我们需要磁体是超导的否则我们就在浪费巨量的能源,”Kingham解释道。

“我们目标是十年,但没人知道这些问题;它可能会更容易,也可能会更加困难”

目前,在国际科学界正在支持建设在法国南部的140亿美元ITER托卡马克。Kingham的承认ITER将是一个有价值的设备,但强调考虑较小型的可能会加速聚变能源发展的替代方案是很重要的。

“投资者们不肯把所有的鸡蛋放在一个篮子里。我们这里传达的信息是建造更小的东西,如果他们不完美,建造另一个并使之更好,”物理学家和公司顾问Colin Windsor 告诉我。

与此数十亿美元的ITER项目正相反,Kingham估计托卡马克能源的尝试从聚变中生产电力的10年计划将耗资约5亿美元。这或许会是过于雄心勃勃。“我们目标是十年,但没人知道这些问题;它可能会更容易,也可能会更加困难” 温莎说。

核聚变研究始于1950年代并进展缓慢,然而,托卡马克能源的研究者们断言,如果聚变能可以被实现,它就能被迅速扩展。“生产的电力将不会有任何碳排放量,并且不会有切尔诺贝利式爆炸的可能性,因为任何时候都没有核燃料在里面,而且也没有福岛的可能性,因为事后没有衰变热,”温莎说。

“在某种程度上,你可以认为我们像莱特兄弟一样在尝试建造一架刚刚才能起飞的飞机,而ITER装置的人则在试图建造一架747,它飞起来时会很辉煌,但很难从头造起,”Kingham的说。

本文译自 reddit,由译者 王丢兜 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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