德國仿星器試驗成功,兼談可控核聚變的原理

2021-01-18 何方讀書


幾乎和原子彈爆炸同一時間,人類就開始了可控核聚變的研究。當時的科學家們對可控核聚變的研究前景極其樂觀,他們甚至已經想像到,在不久的將來,聚變反應堆在世界各地落地開花,屆時,全世界人們都將用上最清潔,最便宜,且取之不盡,用之不竭的能量—聚變能。



 

但是事實很快就扇了科學家們一記耳光,科學家們研究了一陣子發現,可控核聚變可比造氫彈難多了。


 

事實是這樣的。眾所周知,核聚變要求的溫度很高很高,比天還要高好不。溫度如此之高,根本沒有什麼容器可以包容。為了實現聚變,首先要將聚變物加熱到極高的溫度,使得聚變物成為等離子體,然後在利用磁場,將等離子體關(約束)在磁場中。

 

原子彈的原理可以概括為臨界質量,中子。而可控核聚變的原子也可以簡單概括為高溫,約束。這樣看來,實現可控核聚變真的易如反掌,當初科學家就是這樣想的。

 

高溫,這個容易實現,用多束雷射同時加熱一點,很容易得到極高的溫度。




磁約束,這個也不難。當聚變物在高溫下變成等離子體時,帶電的等離子體就可以方便的被束縛在磁場中。



 

說起來容易做起來難,可控核聚變從研究開始一直到今天,一直都是沿著上面的兩條套路在走,但是科學家們一代又一代,走得腿都折了,還是沒能取得大的突破。



 

直到60年代初蘇聯人搞出了一個叫做託卡馬克裝置的核聚變裝置,這個裝置第一次實現了人對等離子的有效約束,點亮了一條人類研究可控核聚變的前進明路。


當蘇聯人第一次宣布託卡馬克裝置時,西方科學家大多認為這就是個騙人的玩意兒,但那個時候確實無路可走,直到英國科學家將信將疑地照著蘇聯人的方法,驗證了這個裝置的有效性,科學家們才真的嗨起來。那個時候,科學家們對託卡馬克裝置的心情,就像掉入大海絕望的人,看到了海面漂來一條竹筏時的心情一樣!



託卡馬克裝置

 

從此以後,託卡馬克裝置裝置風靡可控核聚變的研究界,其他什麼磁鏡,慣性約束什麼什麼的,都成了非主流。近三十年來,世界上的託卡馬克裝置加起來有上百座之多,我國的可控核聚變研究的主流以及主要成果,也都是在託卡馬克裝置研究上取得的。比如最近在網上刷屏的我國中科大的人造太陽,實現了兩分鐘的連續燃燒的新聞,也是在託卡馬克裝置上實現。

 

但是託卡馬克裝置有著致命的弱點,首先,它的運行是脈衝式的,也就是燒一下,停一下,因此需要建造巨大的貯能設施,將聚變能儲存起來,然後才能穩定的輸出,真正供用戶使用。其次,脈衝式燃燒使得系統會忽冷忽熱,而且這種冷熱交替是以毫秒計的。如此惡劣的工況,再好的設備,折騰幾下也就廢了。

 

因此,雖然託卡馬克裝置研究了幾十年,但是很多科學家對其實用性感到懷疑,於是不少人開始另闢蹊徑,進行可控核聚變研究。



而這些其他套路中,最有名的莫過於仿星器了。仿星器,這個名字聽著就科幻而霸氣,就算對核聚變完全不懂的人,稍微看看漫威電影,肯定也會對這個名字肅然起敬。

 

而事實上,仿星器裝置確實也有可圈可點之處。

 

首先,物如其名,仿星器裝置的思路是美國科學家,普林斯頓大學的天體物理學家斯必澤提出的。他從恆星的聚變上得到啟發,從理論角度分析了環形裝置中磁場的彎曲和內外兩側的不均勻性,將使等離子體向器壁擴張而消失。這也正是託卡馬克裝置的缺點之一。為了克服這個缺陷,他把環形容器扭曲成8字形。簡單地說,託卡馬克裝置是一個甜甜圈,而仿星器則是一根麻花。


 
天體物理學家斯必澤

 

其次,仿星器裝置能夠連續的運行,這是它相比託卡馬克裝置最大的優點。經過仔細研究,德國科學家認為仿星器裝置才是未來核聚變反應堆的雛形,因此,德國科學家在各國沉迷託卡馬克裝置的時候,堅定地選擇了仿星器裝置作為其可控核聚變研究方向。




 

於是,在德國聯邦政府,州政府以及歐盟的共同出資下,德國建起了世界上最大的仿星器裝置實驗室,其仿星器實驗裝置被命名為Wandelstein X-7(以下簡稱WX-7)。

 

WX-7從2005年4月份開始組裝。出於嚴謹性,德國科學家和工程師對這臺裝置的組裝十分仔細,總共耗費了近十年時間,在2014年10月, WX-7才正式建成。

 


仿星器模型圖


WX-7位於德國格賴夫斯瓦爾德的馬科斯·普朗克等離子體物理研究所。WX-7建成後,,得益於其前期組裝的認真嚴謹,其後續調試工作進展十分順利。不到一年時間,在2015年12月10日,WX-7的操作團隊就第一次啟動了控制系統。

 

不過此次啟動,科學家們並沒有向裝置內注入氕和氚進行核聚變試驗,只是注入了約一毫克的氦氣—這只是WX-7的一次熱身試驗而已。通過WX-7的監視系統,科學家們可以很直觀的看到氦氣順利的生成了等離子體。這表明,這臺仿星器裝置完全實現了科學家們當初的設計,就像一臺剛下線的全新跑車一樣,加滿油,便可飛快地在道路上奔馳!

 


仿星器實景圖


在接受採訪時,德國科學家表示,他們關於仿星器裝置的研究一直都按計劃順利進行,但是他們不會因為進展順利就加快研究步伐,他們將按的既定計劃,一步步的嘗試。當問及WX-7將何時實現注入氫的聚變反應時,負責人託馬斯·克林格笑著表示:「按計劃應該在2016年年底。」

 

德國人的話準得就像瑞士的鐘表,就在2016/12/19,據媒體報導,WX-7仿星器核聚變裝置試驗成功。

 

仿星器裝置由於其連續燃燒的特點,相比託卡馬克裝置,更容易成為未來的可控核聚變的堆型。WX-7的試驗成功,將人類利用和平利用聚變能的夢想的又向前推進了重要一步!


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