英國的一個實驗性聚變反應堆已成功通電

2020-11-04 科技領航人

經過長達七年的漫長發展，英國的一個實驗性聚變反應堆已成功通電，並實現了「首次等離子體」：確認其所有組件都能協同工作，將氫氣加熱到物質的等離子相。

上周，由牛津郡庫勒姆市的一臺名為MAST Upgrade的機器實現了這一過渡，這是一個正在運轉的核聚變反應堆的基本組成部分，科學家數十年來一直夢想著實現這一夢想。

在核聚變中，兩個或更多個較輕元素的核融合成一個較重的核，並釋放能量。這種現象發生在太陽的中心，如果我們能夠在足夠的規模上在地球上重建並維持相同的反應，我們將獲得清潔、幾乎無限的低碳能源的回報。

儘管這種規模的核聚變尚不存在，但是MAST Upgrade的成功完成和首次測試是旅程中的重要裡程碑。最初的MAST（巨型安培球形託卡馬克）工廠運行於1999年至2013年，其後繼產品一直投入生產，因此這是概念的重要證明。

英國科學大臣阿曼達·索洛韋（Amanda Solloway）在一份聲明中說：「我們希望英國成為核聚變能源的世界領導者，並利用其作為清潔能源的驚人潛力，這種能源可以持續數百年。」

「啟動MAST升級設備是此次國家核聚變實驗的一個標誌性時刻，使我們朝著我們到2040年建成英國第一座核聚變電站的目標又邁進了一步。」

聚變反應堆需要某種裝置來利用等離子體中發生的反應。託卡馬克——使用磁場包含聚變反應產生的等離子體的圓形設備——是此類設備的主要設計之一。

長期以來，託卡馬克採用了圓環形配置，但較新的設備（例如MAST Upgrade）是更先進的球形託卡馬克設計的示例，有望在效率和性能方面帶來許多好處。

由英國原子能管理局（UKAEA）組成的庫勒姆聚變能中心（CCFE）運營的MAST Upgrade也將需要所有這些有利條件。既然核聚變實驗已經開始運作，那麼它在接下來的幾年中將面臨一些巨大的挑戰。

其中最重要的是排熱。聚變反應堆產生難以置信的熱量，可能損壞反應堆的組件。為了解決這個問題，MAST Upgrade將使用一種稱為「 Super-X divertor」的新型排氣系統，該系統旨在減少離開等離子體的顆粒產生的熱量和功率負荷。

如果該分流器成功，它可以比以前減少10倍的熱量，這可能足以使聚變反應堆成為未來電廠中的一種經濟高效的技術。

儘管MAST Upgrade是一個耗時七年的大型項目，但它只是整個項目的一小部分。該設備實際上是為更大的項目——能源生產用球形託卡馬克（STEP）——進行的試運行，該項目將成為英國首座原型聚變電站，預計於2040年完成。

同時，研究人員可以從MAST Upgrade中學到的知識，也將為另一項巨大的嘗試提供信息：世界上最大的核聚變實驗，稱為國際熱核實驗反應堆（ITER）。

ITER目前正在法國南部組裝，來自30多個國家的數千名科學家參與。它經過多年的規劃，比計劃落後大約五年，但當項目完成（估計成本在650億美元左右）時，ITER將是我們展示核聚變產生的能量可以由人類利用的最佳機會。

我們距發現可能還有數年之遙，但MAST Upgrade是邁向成功的一大步。「 ITER是下一代核聚變設備。」CCFE物理學家安德魯·桑頓（Andrew Thornton）解釋說，「 MAST Upgrade將通過提供我們在此所做的實驗數據來支持它，以指導將來如何運行該計算機。」

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