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“苹果”能否重塑聚变未来

宗华

2015年06月02日08:38    来源:《中国科学报》    手机看新闻
原标题:“苹果”能否重塑聚变未来

  科学家尝试建造球形托卡马克获得能量增益

  在一项耗资3000万欧元的升级改造中,工程师将用于改进的真空管抬起。图片来源:CCFE

  正在法国建造的国际聚变反应堆——ITER将有10层楼高,重量是埃菲尔铁塔的3倍,并且将花费其7个国际合作伙伴超过180亿美元。作为数十年设计的成果,ITER最早将在2027年产生聚变能。同时,在像ITER一样的电厂将电送入电网前,还将有几十年的时间。可以确信的是,一定有更加快速和成本更低的路线产生聚变能。

  聚变能的狂热者对于达到恒星般的温度或实现使氢原子核在一个产生能量的联合体中聚集所需的压力有着一系列计划。一些是主流的,比如激光器,一些则是非正统的。不过,形似甜甜圈、被称为托卡马克的容器仍是占主导地位的聚变策略,并且是ITER的基石。托卡马克装置旨在利用磁场控制超高温等离子体。然而,即使在托卡马克中间,一种更加灵巧的替代方案也出现了:球形托卡马克。

  想象一下传统托卡马克的甜甜圈形状鼓起来,变成一种更像去核苹果的形状。该想法的倡导者认为,这种简单的改变有可能打开同ITER前景相匹配的聚变发电厂之路,同时无须庞大的规模。“目的是让托卡马克更小、更快,并且成本更低,从而减少发电的最终成本。”在英国阿宾顿卡拉姆聚变能研究中心领衔托卡马克研究的Ian Chapman表示。

  卡拉姆是将对这些魁梧的托卡马克装置开展大型测试的两个实验室之一。全球两台第一流的机器——位于美国普林斯顿大学等离子体物理实验室的国家球形环测试(NSTX)和位于卡拉姆的兆安球形托卡马克(MAST)正在升级中。它们将拥有更强大的磁体和更强有力的加热系统。很快,它们将开始启动,将氢加热到非常接近产生聚变能所需的温度。如果两者进展顺利,下一个要建造的大型托卡马克将有可能是球形的。

  从卡拉姆分拆出来的一家小公司甚至正在下一个希望渺茫的赌注,即它会拥有一个所产生能量超过其消耗能量的球形托卡马克反应堆,并且在10年内得以运行。如果成功了,球形托卡马克将改变聚变的未来远景。“这将令人兴奋。”约克大学约克等离子体研究所所长Howard Wilson表示,球形托卡马克是这个领域的“后起之秀”,但仍有一些重要问题需要弄个水落石出。

  掌控等离子体

  托卡马克以一种巧妙的方式控制人类曾捕捉到的最“放荡不羁”的物质之一,即利用足够热的等离子体维持聚变。为使原子核相互撞击并且发生聚变,反应堆必须达到太阳核心温度的10倍,约1.5亿摄氏度。得到的是稀薄的电离气体,而后者能汽化所接触到的任何物质,因此它们必须被固定住足够长的时间用于聚变,从而产生大量有用的能源。

  托卡马克装置利用磁体尝试实现这个看上去不可能的任务。磁体能固定并控制等离子体,因为它是由带电粒子构成的。一系列复杂的电磁体环绕形似甜甜圈的容器,其中一些是水平方向上的,一些是垂直的。一个被称为螺线管、紧紧缠绕在一起的电线圈向下穿过“甜甜圈”的洞。这些组合起来的磁场将等离子体挤向管子中心,使其在环绕线圈的同时缓慢地作螺旋式扭动。

  不过,等离子体很难被掌控。将其困住就像试图用手挤压气球:它总是在你的手指间鼓起。等离子体变得越热,就会有更多受磁场约束的气体膨胀、扭动并且试图逃逸。过去60年的大部分聚变研究都聚焦在如何控制等离子体上。

  产生并且维持聚变所需的足够热量是另一项挑战。等离子体在托卡马克周围激增时产生的摩擦会提供部分热量,但现代托卡马克还发射微波和高能粒子。在尽可能快地提供热量的过程中,热量也会被耗尽,因为湍流等离子体中最热、移动最快的粒子会从高温核心以旋涡状逃向较冷的边缘。“任何控制系统都将出现轻微的渗漏,并且将失去粒子。”Wilson表示。

  对不同大小和结构的托卡马克进行的研究总是指向相同的信息:为控制等离子体并使其保持高温,托卡马克装置越大越好。在一个更大的体积内,高温粒子为了逃逸不得不穿越得更远。目前,最大的托卡马克——位于卡拉姆的8米宽欧洲联合环形加速器(JET)在1997年创造了聚变能量的纪录,在数秒内产生16兆瓦能量。对于大多数聚变研究者来说,ITER是合乎逻辑的下一个目标。它有望成为第一台实现能量增益的机器,即输出的聚变能超过输入的加热能量。

  球形托卡马克兴起

  上世纪80年代,一个来自田纳西州橡树岭国家实验室的团队研究了简单的形状改变如何影响托卡马克的表现。他们关注的是环径比,即把整个托卡马克的半径和真空管的直径相比。他们的计算表明,使环径比变得很低从而将托卡马克基本上变成中间有个狭小通道的球体,能有很多优势。

  橡树岭的研究人员预测,在一个球形托卡马克的中心洞附近, 粒子会“享受”到异乎寻常的稳定性。磁场线在中心柱附近紧紧缠绕在一起,使粒子在回到外表面前能在那里保持更长的时间,而不是像传统托卡马克装置中磁场线在管子附近懒洋洋地作螺旋式移动。等离子体的D形横截面还有助于抑制湍流,从而改善能量控制力度。不过,这种设计有一个现实问题。球形托卡马克狭窄的中心洞并未给需要安装在那里的仪器留出足够空间。1984年,来自橡树岭的Martin Peng提出一个完美的、节省空间的解决方法:将众多垂直环形磁体用沿着反应堆中心共享单一导体的C型线圈替代。

  当时,美国聚变研究资助非常缺乏,因此橡树岭无法建造球形机器测试Peng的设计。有些国外实验室则将一些设计用于其他目的的小型设备转变成球形托卡马克,而首个真正的样机于1990年在卡拉姆实验室建造。这个被称为小型低环径比托卡马克(START)的设备很快实现40%的环向比压,这是任何传统托卡马克所能达到的3倍。它的稳定性也超过传统机器。其他实验室竞相建造小型球形托卡马克,一些甚至位于在聚变研究领域并不出名的国家,比如澳大利亚、巴西、埃及、哈萨克斯坦、巴基斯坦和土耳其。

  Chapman表示,下一个问题是“我们能否建造一台更大的机器并获得相似的性能”。位于普林斯顿和卡拉姆两地的机器正是为回答这个问题而建造。NSTX和MAST都在1999年建成,两者均能约束3米左右的等离子体,这约是START的3倍但只有JET的三分之一。两者的表现证明,START取得的成绩并非是一次性的:它们再一次实现约40%的环向比压,同时不稳定性减小,约束力更好。

  目前,两台机器正迈向下一个阶段:实现更高的加热功率,使等离子体温度更高、磁体更强有力,从而更好地约束等离子体。现在,MAST还未被完整组装起来。空的真空管看上去像一个巨大的锡罐,上面装饰着舷窗。价值3000万欧元的新磁体、泵、电源和加热系统正在准备中。在普林斯顿大学,技术人员正在对耗资9400万美元的NSTX磁体和中性束加热系统的类似升级进行收尾工作。像大多数实验室托卡马克一样,这两台机器并不是为了产生大量能量,只是学习如何在像聚变一样的条件下控制并约束等离子体。

  5年内获得聚变能增益

  在未来的发电厂中,一种吸收中子的材料将捕获高能中子,将其能量转化为热量,从而驱动蒸汽涡轮发动机发电。不过,20%的反应能量会直接为等离子体加热。现代托卡马克通过将磁场变成排气管状去除热量。这种偏滤器能吸收一些最外层的等离子体,并将其抽走。升级后的MAST拥有灵活的磁体系统,研究人员可以尝试不同的偏滤器设计,从而寻找能解决热量问题的最好方案。

  同时,聚变研究者们很快将不得不建造反应堆测试未来发电厂的组件能否承受高能中子多年的“轰炸”。这正是在欧洲被称为部件实验装置(CTF)的目标之一。Chapman表示,建造CTF“是绝对有必要的”。不过,CTF的设计还没有确定,但球形托卡马克的支持者认为,他们的设计为这种测试平台提供了有效路径,因为其建造和运行都相对紧凑和廉价。

  随着ITER建设耗费掉全球大多数聚变研究预算,上述前景将不会很快得到测试。不过,一家公司希望从零开始,在10年内建造一个小型发电球形托卡马克。2009年,一群来自卡拉姆的研究人员创建了一家名为托卡马克解决方案的公司,旨在建造作为中子源的小型球形托卡马克用于研究。随后,该公司的一家供应商向其展示了一种由高温超导体钇钡铜氧制成的多层导电带材,有望实现性能的极大提升。

  超导体没有电阻,因此由其制成的电磁铁能产生比传统铜磁体更强有力的磁场。ITER将采用低温超导体,但这在大规模冷却上花费颇高。高温材料用起来成本较低,但被认为在承受托卡马克附近强大的磁场时不够稳定,直至新的超导带材出现。为此,公司改变了方向,被重新命名为“托克马克能量”,并且正在测试不超过一人高的第一代超导球形托卡马克。

  明年,公司将组装一台稍大一些的机器,其产生的磁场将是NSTX升级后的两倍。如果获得投资者的许可,下一步将建造一台比NSTX稍小但产生的磁场是后者3倍的机器。公司CEO David Kingham表示:“我们想在5年内获得聚变能增益。这就是我们面对的挑战。”

  Wilson认为,这是一种高风险的方法。“他们就像在买彩票。如果赢了,那很了不起。如果输了,公司有可能会消失。不过,即使没有成功,我们也将从中吸取教训。它将加速聚变项目的进行。”

  而这种精神,对于试图重塑聚变未来的每个人来说,都再熟悉不过了。(宗华)

(责编:赵竹青、马丽)


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