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核聚变技术新突破!德国成功开发一种仿星器 等离子体温度达到太阳核心2倍

前瞻网    2021-09-14 10:25

 

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图片来源:Wendelstein 7-X. (Bernhard Ludewig/Max Planck Institute of Plasma Physics)

物理学家们正在研究的一种被称为“仿星器”(stellarator)的聚变反应堆有了重大进展,该反应堆的等离子体温度是太阳核心两倍,越来越接近于真正利用核聚变的能量。

根据一篇新论文,德国的温德尔斯坦7-X仿星器(Wendelstein 7-X stellarator)现在能够容纳温度高达太阳核心温度两倍的热量。这意味着物理学家已经能够减少热量损失——这是仿星器技术的重大进步。

“对于核聚变来说,这真是一个令人兴奋的消息。” 普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)的物理学家诺维米尔·帕布兰特说,“这清楚地表明,这种优化是可以做到的。”

核聚变动力是全世界能源发展的重点。从理论上讲,它依赖于利用等离子体核聚变产生更重元素时释放的能量:与恒星中心发生的过程相同。如果我们能做到这一点,意味着几乎是取之不尽的清洁、高产量能源。

然而,说起来容易做起来难。核聚变是一个极具能量的过程,想控制它并不容易。核聚变能在20世纪40年代首次被研究,几十年过去了,尽管差距正在缩小,核聚变反应堆产生的能量仍然远远低于它们损失的能量。

目前打破温度记录的聚变技术是托卡马克——一个被困在磁场壳内的环形等离子体,以快速脉冲的高速驱动。相对的简单性有助于在高温下控制,但仅限于爆发。

另一方面,仿星器是基于一个人工智能绘制的极其复杂的磁铁配置,可以控制等离子体保持流动。这些都很难设计和建造,导致了仿星器以热量损失的形式泄漏了大量聚变产生的能量。

这种热损失是一种被称为“新古典传输”(neoclassical transport)的过程的结果。在这个过程中,聚变反应堆中的离子碰撞导致等离子体向外扩散。它对仿星器的影响要大于托卡马克。

因此,PPPL和马克斯普朗克等离子体物理研究所的研究人员试图塑造W7-X的磁铁,试图减少新古典传输的影响。现在,使用x射线成像晶体光谱仪(XICS)进行的测量显示,反应堆内部的温度非常高。

这是由电荷交换复合光谱(CXRS)测量支持的,它被认为比XICS测量更准确,但不能在所有条件下进行。

但在两组数据一致的情况下,这个仿星器似乎能够达到近3000万开尔文的温度。

研究小组发现,只有在新古典传输急剧减少的情况下,这才有可能。他们进行了建模,以确定如果W7-X没有得到优化,新古典传输会损失多少热量,他们发现3000万开尔文是远远超出这个范围的。

“这表明优化后的W7-X形状减少了新古典传输,对于W7-X实验中看到的性能是必要的,”Pablant说。“这是一种展示优化有多重要的方式。”

这一令人兴奋的结果代表着在改进仿星器设计方面迈出了重要的一步,它将为未来的努力提供信息和塑造。

这也是向实用的聚变反应堆迈出的重要一步,尽管还有很多工作要做。聚变反应堆要想变得实用,不仅需要高温,还需要合适的等离子体密度和合适的约束时间。虽然托卡马克运行时温度更高,但减少能量损失确保了仿星器技术仍有优势。

由于目前正在开发不同的核聚变反应堆技术,其中一种技术的交付似乎只是时间问题。从核聚变产生的能量到达我们的电网可能还需要一段时间,但当它到达时,它很可能会改变世界。

W7-X目前正在进行升级,并将于2022年重新开始运行。

这项研究发表在《自然》杂志上。

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责任编辑: 3976DBC

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