[視頻]磁懸浮半噸超導體,模擬地球磁場,進行核聚變

2020-11-26 cnBeta
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新聞來源:我和信息 - iand.info

受控核聚變一直是政府和科學界願意花大價錢研究的項目,因為這關係到人類未來的能源,現在的聚變項目很多採用託卡馬克裝置,包括花費需100億歐元的國際 熱核實驗聚變反應堆.最近,科學家們使用一塊半噸的超導磁鐵,使之懸浮在空中,通過模擬地球磁場來控制聚變等離子體,實驗得到了不錯的結果.

       我們先看下核聚變,一般核聚變使用的燃料是氘(D)和氚(T),兩者都是氫(H)的同位素,區別在於氫沒有中子,而後兩者分別帶有1個和2個中子.」聚 變」代表兩個原子結合放出能量,對應的」裂變」為一個原子分裂為兩個原子放出能量,原子彈對應著裂變,而氫彈是聚變,人類現在還無法控制核聚變,如今的發 電站都是裂變發電,聚變比裂變放出的能量更多,而且氘和氚可以從海洋中提取,每升海水提取原料的聚變能量相當與300升汽油,如果人類掌握了受控聚變反應 的話,那接下來幾十億年的能源問題就容易解決了.

       發生核聚變的條件是原子核之間突破庫侖力,靠的足夠近,兩個原子核能撞在一起,反應這樣才能開始,並且需要保持這狀態足夠長的時間,這樣才能有效的利用核 聚變能.理論計算得出把反應物加熱到一億度反應才能充足的發生(溫度稍微低些也能反應,但這時聚變放出的能量還沒我們加熱給予的多,這樣就不能發電了), 加熱這步已經有許多技術可以實現.而維持長時間的反應仍是個問題,對於一億度的高溫,還沒辦法製造個容器把反應物關在其中.所以需要找些特殊的方法.

       一億度時反應物是什麼狀態呢,大家知道隨著溫度的上升,物質會由固態轉為液態,繼續加熱會變成氣態,如果再繼續呢,這時電子會和原子核分離一段距離,這時 稱為等 離子體,等離子體在地球上含量不多(但還是很容易見到,比如螢光燈燈管中,閃電,極光等),但在宇宙中,99%的可見物質處於等離子狀態.太陽中 心0.2個半徑內溫度很高,不斷的發生等離子體的聚變反應,氫核聚變為氦核,這就是太陽光的來源.太陽質量很大(地球的333400倍),能夠靠本身的引 力來約束等離子體,維持反應.

       高中物理學過,在磁場中,帶電粒子受到洛侖茲力,這時帶電粒子在磁力線垂直方向作環形運動.一億度時,等離子體由帶正電的氘核和氚核,帶負電的電子構成 (平常原子顯中性,這時分離開一段距離後後會在小範圍內顯示各自的電性,但等離子體中原子核與電子沒有完全分開,所以大範圍還是電中性),這就有了方法, 如果我們給予一個極強的磁場,那就可以使高溫等離子體繞圈運動,而不是到處擴散.最為著名的等離子體約束裝置託卡馬克就是這原理,這兒直接摘錄維基上對託 卡馬克的介紹:託 卡馬克（Tokamak)的名字 Tokamak 來源於環形（toroidal）、真空室（kamera）、磁（magnit）、線圈（kotushka）。最初是由位於莫斯科的庫爾恰託夫研究所的阿齊 莫維齊等人在1950年代發明的。託卡馬克的中央是一個環形的真空室（有點像輪胎），外面纏繞著多組一定形態的線圈。真空室內充入一定氣體，在燈絲的熱電 子或者微波等預電離手段的作用下，產生少量離子，然後通過感蘇聯應或者微波、中性束注入等方式，激發並維持一個強大的環形等離子體電流。這個等離子體電流 與外面的線圈電流一起，產生一定的螺旋型磁場，將其中的等離子體約束住，並使其與外界儘可能地絕熱。這樣，等離子體才能被感應、中性束、離子迴旋共振、電 子迴旋共振、低雜波等方式加熱到上億度的高溫，以達到核聚變的目的。

       目前最大的核聚變項目ITER(國 際熱核聚變實驗反應堆)即利用了託卡馬克結構,此項目需耗時30年(進行中),耗資約100億歐元,是排國際空間站之後的第二大科技投入.託克馬 克是現今最成熟的磁約束裝置,但人們還在不斷的尋找新的方法.

       類似地球,木星這樣的行星具有磁層,它們的偶極磁場能夠束縛高溫高壓的電離物質.最近,哥倫比亞大學的MIcheal Mauel和他的同事們受到上述行星磁場的啟發,做了初步的實驗,名為懸 浮偶極實驗(Levitated Dipole Experment,LDX).他們利用強磁場把一塊半噸重的電磁鐵懸在空中,並加入各種不同參 數的等離子體,實驗證實某些等離子體的擾動會導緻密度的增加,這是聚變反應關鍵一步.這個方法對比託卡馬克的優勢是產生的偶極磁場中沒有扭曲的和螺線形的 磁力線,這樣等離子體從邊緣進入高溫中心的過程中不會損失能量,託卡馬克常用具有放射性的氚作為反應物,氚又需要使用氘來合成,而使用懸浮偶極裝置可以直 接使用氘做反應物,更為方便無汙染.

       這次的實驗注入的等離子體約為1000萬度,Munuel想在接下來的實驗中注入更高溫度的等離子體來增加聚變機率,此次實驗發表在2010年1月24日 的Nature physics上.

LDX報導:Planetary physics shrunk into a lab as MIT pursues fusion

LDX論文:Turbulent inward pinch of plasma confined by a levitated dipole magnet

LDX演示:http://www.psfc.mit.edu/ldx/ldx_daily_op.html

LDX視頻:http://v.youku.com/v_show/id_XMTQ5Njg2NDA0.html

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