升級了!英國核聚變反應堆由「甜甜圈」變身「去核蘋果」,究竟改進...

2020-11-22 中國科學技術館

近日，英國的一個實驗性核聚變反應堆首次啟動發電，這表明英國在通往可控核聚變的道路上邁出了重要的一步。

位於牛津郡Culham的名為MAST Upgrade的機器裝置已經證實了其所有組件可以協同工作，並將氫氣加熱成等離子體。這一機器是正在運轉的核聚變反應堆的基本組成部分。

核聚變的原理是在極高的溫度和壓力下讓核外電子擺脫原子核的束縛，讓兩個原子核能夠互相吸引而碰撞到一起，發生原子核互相聚合作用，生成新的質量更重的原子核。這一過程與核裂變正好相反。

在宇宙之中，核聚變會在恆星中心自然發生。在巨大的恆星熔爐中，引力克服了帶電氫原子相互排斥的傾向，就像磁鐵的兩個正極一樣。

而要在地球上實現核聚變，第一步遭遇到的難題就是如何讓核外電子擺脫原子核的束縛。

通過提高物質的溫度(需要達到10萬攝氏度左右)，人們能夠使原子核和電子分開，製造出等離子體(不同於固體、液體和氣體的物質第四態)。

正如此前前瞻網的一篇文章《小原子爆發大能量：人造太陽可以帶來無限能源，還能承受上億度高溫!》中所介紹，目前實現可控核聚變有幾種方案，包括雷射約束核聚變、磁約束核聚變等，其中，人類對託卡馬克的研究是最深入的。

英國本次成功進行試驗的裝置MAST Upgrade也屬於託卡馬克(Tokamak)，這是一種環形裝置，利用強大的磁場製造出一個封閉空間，讓核聚變的高溫反應在磁場空間中進行。

託卡馬克的中央是一個環形的真空室，很長一段時間以來，這種裝置的形狀都像個甜甜圈。不過本次MAST Upgrade採用了一個更為先進的形狀，更像是一個去核的蘋果。

(圖：託卡馬克，綠色圓錐箭頭為等離子體電流)

MAST Upgrade是對此前的實驗反應堆設備MAST的改進，MAST全名為「兆安培球形託卡馬克」(Mega Ampere Spherical Tokamak)，運行於1999年至2013年。

(圖： MAST Upgrade)

雖然是在同一地點建造的，但MAST Upgrade大約90%的硬體是全新的。這個有3米寬的設備比一臺空客A380引擎還大，現在升級了更強的磁鐵，配備了額外的儀器來跟蹤和控制裡面沸騰的等離子體，以更強的中性束噴射器的形式增加加熱功率，並使其等離子體放電時間延長，最多可達5秒。

MAST Upgrade球形託卡馬克細長的中心柱不同於主流設備如JET和ITER的笨重的環狀裝置，研究人員認為，這種形狀比環形託卡馬克更能保證等離子體的穩定性。但與傳統的設計相比，人們對它的了解較少。

歐洲核聚變協會認為它是值得探索的聚變能源路線圖的替代品。英國原子能機構(UKAEA)認為，緊湊的設計可能是未來小型和廉價核聚變發電廠的關鍵。

普林斯頓等離子體物理實驗室(Princeton Plasma Physics Laboratory)也曾進行過類似的升級，被稱為國家球形環面實驗(NSTX)。但2016年，NSTX在耗資9400萬美元升級後不久就發生了一系列故障，其恢復計劃可能將花費數千萬美元。

目前，MAST Upgrade能夠產生加熱到180萬華氏度的等離子體，最終的目標是把等離子體溫度提高到這個溫度的10倍。

MAST Upgrade的另一項值得一提之處是它複雜的新分流器「Super-X」，這個設計能夠有效冷卻流出的等離子和保護排氣壁。

(圖：Super-X分流器)

在託卡馬克反應堆中，分流器負責將餘熱和任何廢棄物排出，包括聚變產物和來自反應堆內襯的等離子體雜質。

典型的託卡馬克的內壁是由磁場保護的，不受內部的超熱等離子體的影響。唯一的例外是分流器，它必須經受住如同太陽表面的高溫和粒子撞擊。這意味著它們需要定期更換，這增加了反應堆運行的成本。

MAST Upgrade的設計是為了嘗試一種新的方法，在正常的等離子體排氣過程中，在熱等離子體接觸和侵蝕分流器之前冷卻。

為了冷卻等離子體，MAST Upgrade的分流器附近的新磁線圈會將排氣氣流形成並拉伸成奇異的形狀，像伸展的Super X或多管狀雪花。

這給了等離子體更多的時間和空間來輻射能量，直到它最終到達排氣壁。

研究人員的最終目標是降低溫度，使其與汽車尾氣的溫度相近。

通過減少分流器的磨損，這項技術有望為未來的聚變電廠帶來更長的使用壽命。

英國的核聚變雄心

耗資5500萬英鎊、歷時7年建成的MAST Upgrade讓英國向其目標——2040年建成英國第一座核聚變發電廠——又邁進了一步。

早在2017年，英國就啟動過核聚變反應堆ST40，同樣成功產生了等離子體，這是第一次由私人企業設計、製造和運營的世界級可控核聚變設備。

MAST Upgrade現在的試驗性運轉不會產生電力，而是為了使專家能夠收集關鍵數據，並測試MAST Upgrade採用的一切新技術，除了託卡馬克形狀的改變之外，還有增加額外加熱功率、從等離子體中提取熱量的新技術以及其他改進。

這些經驗還有望幫助世界上最大的核聚變試驗，國際熱核實驗反應堆(ITER)。ITER建於法國南部，是中國、歐盟、印度、日本、韓國、俄羅斯和美國的合作項目，有來自30多個國家的數千名科學家參與其中。

儘管英國目前參與了ITER，但在不久的將來卻可能會退出，因為英國政府退出了歐洲原子能條約，這是英國脫歐的一部分。

英國可以繼續在ITER中發揮作用，但前提是在今年12月31日英國脫歐過渡期結束前達成一項新的協議，讓英國繼續參與ITER。

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