@ 2016.02.14 , 11:10

中国托克马克的102秒,世界热核研究的一大步

良性竞争向来是推动前进的动力。中国EAST托克马克和德国7-X仿星虽然不完全像绿茵场上的梅西对阵C罗,但是这一对的竞争将来有一天点亮的不光是一颗科技树,还有可能是全世界能源。仿星7-X在上上星期成功点火四分之一秒,便上了全世界的头条,现在中国物理科学院的科学家们便施展拳脚,把自己的托克马克坚持了前无古人的102秒。

几十年来,类似中国EAST托克马克(Experimental Advanced Superconducting Tokamak)的试验反应堆一直在追求低廉搞笑的能量产出。在这些甜甜圈形状的舱室里,氢气被加温至可以匹敌太阳内核的温度,用强大的磁场来限制产生的等离子体。如果能随心所欲地把等离子气体限制在一个区域,核聚变就能在可控的环境下为人类提供用之不竭的能源。

在这次中国物理科学院的试验中,等离子体加温至5000万开氏度(三倍于太阳内核温度),并且保持了102秒。托克马克或者仿星7-x的原理,说到底就是模仿恒星内部的环境,让氢原子核互相撞击和融合在一起成为氦原子。聚变之后,两个高能量的原子核为了保证新生原子的稳定,会释放出一部分自带的能量来达到一个低能量态(编者注:“早晨起来爬山坡,爬到山坡想唱歌,歌声唱给妹妹听,听完歌声滚下坡”基本描述了这个过程)。这部分释放的能量,单位反应质量远远比裂变释放的能量大。而且由于聚变的条件苛刻,任何的反应堆问题都会导致聚变的停止,所以相比起时时暴走的裂变堆,聚变堆的安全性是可控的。EAST托克马克的目标是维持1亿开氏度的环境1000秒。只有这样持续的可控聚变才有条件。

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图1. 中国的EAST托克马克内部

其实拨开EAST团队闷声发大财的习惯,中国的托克马克在仿星7-X开始建设之前就超过的其四分之一秒的成绩。2013年,EAST团队在报告中说明了持续30秒的细节。这份报告中,科学家们说由于使用了新型磁场线圈和内部涂层,等离子体能很好地在舱室的中间维持,而不会很快飘向舱壁从而瓦解。与此同时,完全不同于托克马克的新设计,即“仿星 ”反应堆被验证可以以全新的方式稳定等离子体。使用这种设计的仿星7-x,用扭曲的内仓和磁场线圈来推动等离子体。非平直的磁场可以在环形中施与离子平稳的作用力,将其稳定在舱室中间。

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图2. 科学家们在EAST托克马克中把5000万开氏度的等离子体维持了102秒。图为101.9秒的舱内情况

仿星7-x使用了50条超导线圈来产生和调控磁场。相比原始版托克马克,7-x的设计不仅仅是提供短促的等离子体环境。上周初次点火时,超过2兆瓦的微波脉冲将氢气提升到8000万开氏度。虽然仿星7-x初次点火只有四分之一秒,但是是核聚变的新开端。仿星团队的目标是在四年内逐步提升到30分钟。

虽然EAST托克马克和仿星7-x打得你来我往,风生水起,各自引领聚变界的先锋,但只用点火时间长短来衡量各自的成绩显然不公平。澳大利亚等离子研究中心资深工程师马修・霍尔说,衡量两方的成就,有很多因素要考虑在内:“就两者的自身进步来讲,双方都创造了历史,但是两个的设计考虑和磁场约束方式都不同,一个用了扭曲磁场,一个用直通甜甜圈设计。虽然两者设计和参考方式不一样,但是衡量指标,比如点火时长,温度,压力,密度和约束能力,都是一样的。下一步引领核聚变的,该是ITER了。”

ITER,国际热核试验反应堆(International Thermonuclear Experimental Reactor),建成后将会是世界上最大的托克马克设计。集合35个国家的科研力量,ITER将会在2027年初次点火,并且有望成为第一个能产生能量输出的热核聚变反应堆。

本文译自 gizmag,由译者 小鱼儿 基于创作共用协议(BY-NC)发布。


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