@ 2015.11.03 , 15:00

德国即将点亮革命性核聚变机器

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60多年来,科学家们一直梦想着一种永不枯竭的清洁能源形式:核聚变。

而他们还在梦想着。

但是感谢普朗克研究所在等离子体物理学上的努力,专家们希望这可能会很快改变。

去年,经过110万施工小时,该所完成了世界上最大的称为仿星器的核聚变机器。

这台直径52英尺(15.85米)的机器名叫W7-X。

经过一年多测试,工程师们终于准备好首次点亮这台11亿美元机器,据《科学》报道,这可能在10月底前就能发生。

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核反应堆中的黑马

仿星器在等离子体物理学界被称为核聚变反应堆中的“黑马”,它恶名昭彰地难以建造。

下面显示了W7-X历时19年才造完的众多不同层次:

从2003年到2007年,该项目在建设期间遭受了一些重大挫折——包括承包制造商之一倒闭——几乎导致整个项目取消。

建造仿星器的尝试屈指可数,而建成的甚至更少。

相比之下,仿星器更受欢迎的表亲称为托卡马克,却得到广泛使用。世界各地有超过三十六台托卡马克正在运作,而史上一共曾建造过200多台。这些机器更容易建造,而且在过去作为核反应堆比仿星器性能更好。

但托卡马克们有一个重大缺陷,而W7-X据说对此是免疫的,预示着这台最新的德国机器怪兽可能会是一个游戏规则改变者。

核聚变反应堆如何工作

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托卡马克装置一般示意图。注意它比仿星器层数更少,而且磁线圈形状也不同。

任何一种核聚变反应堆成功的关键是生成、约束和控制一坨称为等离子体的气体,它被加热到1.8亿华氏度(1亿摄氏度)以上的温度。

在这种炽热温度下,电子被从原子上扯下,形成等离子。

通常情况下,离子们会像碰碰车一样互相弹开,但在这种极端条件下它们间的排斥力就能被克服。

因而离子就能互相碰撞并融合,产生能量,你就完成了核聚变。今天的核反应堆的燃料不同于核聚变,它的运作能量来自于原子衰变或裂变,而不是融合。

核聚变过程驱动了我们的太阳约45亿年,并且还将继续约40亿年。

一旦工程师们在反应堆中加热气体到适当温度,就使用超低温冷却的磁线圈产生强大磁场约束和控制等离子体。

例如,W7-X装有50个六吨重的磁线圈,在下面的GIF中显示为紫色。等离子体被约束在红圈内:

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托卡马克和仿星器的区别

因为托卡马克的磁线圈配置比目前运作中的仿星器能更好地约束等离子体,它多年来被认为是以太阳的方式产生能量的最有前途的机器。

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W7-X示意图。

但是有一个问题:托卡马克只能短暂爆发地控制等离子体,持续不超过七分钟。而生成等离子体所需的能量比工程师们能从这些周期性爆发中得到的能量更多。

因而托卡马克们消耗比它们所产生更多的能量,这可不是你想要的已被吹捧为“未来千年中最重要的能量来源”的核聚变反应堆。

因为仿星器的设计,专家们猜测它能一次性维持等离子体至少30分钟以上,这比任何托卡马克都长的多。法国的托卡马克装置“Tore Supra ”目前保持着6分30秒的记录。

如果W7-X成功,它将改变核聚变界的方向并把仿星器推到聚光灯下。

“全世界正等着看我们是否能达到约束时间,并保持更长的脉冲,” 普林斯顿等离子体物理实验室的仿星器首席物理学家David Gates告诉《科学》。

下面是W7-X建造的延时视频:

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


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