@ 2022.05.26 , 10:27

坏消息 用于指导聚变反应堆设计的基础公式 一直都是错的

由于开创性的新研究发现此类反应堆的基本公式是错误的,托卡马克内部的聚变反应可能会产生比我们以前以为的更多的能量。

由洛桑联邦理工学院(EFPL)瑞士等离子体中心的物理学家领导的研究确定,最大氢燃料密度约为“格林沃尔德极限”的两倍——后者是根据 30 多年前的实验确定的上限。

瑞士等离子中心的物理学家 Paolo Ricci 说,聚变反应堆实际上可以在远高于格林沃尔德极限的氢等离子体密度下工作,这一发现将影响正在法国南部建造的大型 ITER 托卡马克装置,并极大地影响 ITER 继任者的设计,包括示范发电厂 (DEMO) 聚变反应堆。

“确切的值取决于实际功率。”Ricci 告诉 Live Science。 “但粗略估计,ITER 的增幅约为两倍。”

Ricci 是该研究项目的领导者之一,该项目将理论工作与欧洲三个不同聚变反应堆(EPFL 的 Tokamak à Configuration Variable (TCV)、位于 Culham 的联合欧洲环面 (JET))的大约一年实验结果相结合,用在德国加兴的马克斯普朗克等离子体物理研究所进行的轴对称偏向器实验 (ASDEX) 升级托卡马克装置。

他也是这一发现的主要作者之一,论文于5月6日发表在《物理评论快报》上。

环形托卡马克是核聚变反应堆最有前途的设计之一,或许有朝一日可实装为电网发电。

科学家们已经工作了 50 多年,以使受控聚变成为现实。聚变过程产生的放射性废物比裂变少得多,而且它用作燃料的富含中子的氢相对容易获得。

正是同样的聚变反应,使太阳等恒星发光发热——所以受控聚变被比作“罐子里的恒星”;但是由于恒星中心的高压在地球上是不可行的,所以这里的聚变反应需要比太阳更高的温度才能运行。

例如,TCV 托卡马克内部的温度可能超过1.2 亿摄氏度——几乎是太阳核聚变核心温度的10倍。

据 Live Science 此前报道,一些聚变发电项目现在处于后期阶段,一些研究人员认为,第一个为电网发电的托卡马克装置可能会在 2030 年投入使用。

全球 30 多家政府也在资助 ITER 托卡马克装置(“Iter”在拉丁语中意为“道路”),该装置将于 2025 年生产出第一批实验等离子体。

然而,ITER 的设计目的不是发电。但基于 ITER 的托卡马克装置(称为 DEMO 反应堆)目前正在设计中,并可能在 2051 年投入使用。

新计算的核心是格林沃尔德极限,以麻省理工学院物理学家马丁格林沃尔德的名字命名,他在 1988 年确定了这个极限。

当时研究人员试图找出为什么当他们将燃料密度增加到超过某个点时,他们的聚变等离子体就变得无法控制(它们在托卡马克室内所包含的磁场之外扩展),格林沃尔德根据托卡马克的实验得出了一个极限小半径(甜甜圈内圆的大小)和通过等离子体的电流量。

Ricci说,尽管科学家们长期以来一直怀疑格林沃尔德极限可以改进,但 30 多年来,它一直是聚变研究的基本规则。例如,它是 ITER 设计的指导原则。

然而,最新的研究扩展了格林沃尔德用来推导他的极限的实验和理论,发现燃料密度极限实际上更高,这将增加 ITER 的容量并影响其后的 DEMO 反应堆的设计。

他说,关键是发现等离子体可以随着聚变反应的功率输出增加而维持更大的燃料密度。

Ricci 说,目前尚不可能知道燃料密度如此大幅度的增加将如何影响托卡马克的功率输出,但这可能很重要。研究表明,更高的燃料密度将使聚变反应堆更易于操作。

“它使安全、可持续的聚变条件更容易实现。它可以让我们达到我们想要的状态,从而使聚变反应堆能够正常工作。”

https://www.sciencealert.com/discovery-of-new-physics-could-one-day-squeeze-a-lot-more-power-from-fusion


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