“仿星器”未來核電廠模型騰空出世

六十多年來，科學(xué)家們一直夢想著將核聚變所產(chǎn)生的巨大能量轉(zhuǎn)化為清潔、取之不盡的能源來源。但是，核聚變的不可控制成為最大的難題。如今，在德國馬克思普朗克學(xué)會(huì)等離子體物理研究所（IPP）的努力下，這一夢想可能很快就要實(shí)現(xiàn)了。

上周，美國《科學(xué)》周刊消息稱，經(jīng)過一年的測試，科學(xué)家們正力圖在今年11月底前，將全球最大的“仿星器”——Wendelstein7-X投入使用。

就像太陽能量的產(chǎn)生依靠原子核的聚變反應(yīng)一樣，“仿星器”（Stellarator）的本質(zhì)上是一種核聚變反應(yīng)研究設(shè)備。仿星器通過模仿恒星內(nèi)部持續(xù)不斷的核聚變反應(yīng)，將等離子態(tài)的氫同位素氘和氚約束起來，并加熱至1億攝氏度的高溫，發(fā)生聚變以獲得持續(xù)不斷的能量，最終幫助人類實(shí)現(xiàn)對核聚變釋放能量的有效利用。

這臺(tái)坐落在德國東北部城市格賴夫斯瓦爾德的Wendelstein7-X反應(yīng)堆，其核心部件磁線圈裝置高度大約3.5米，整個(gè)設(shè)備的寬約為16米?？偣埠臅r(shí)110萬小時(shí)，投入約10億歐元，于2014年建成。最關(guān)鍵的是，其一次運(yùn)行可以連續(xù)約束超高溫等離子體長達(dá)30分鐘。

能否實(shí)現(xiàn)對超高溫等離子體的長時(shí)間約束，是反應(yīng)堆設(shè)計(jì)領(lǐng)域的關(guān)鍵所在，這意味著是否能夠控制核聚變。

根據(jù)知乎作者夏曉昊的解釋，可控核聚變是指可以控制核聚變的開啟和停止，以及隨時(shí)可以對核聚變的反應(yīng)速度進(jìn)行控制。

簡單而言，同樣是可燃燒物質(zhì)，火藥可以用來做成炸彈，利用其高能量瞬間爆發(fā)的破壞性；同時(shí)也可以摻點(diǎn)雜質(zhì)，做成蜂窩煤，使其當(dāng)做煤爐燃料來緩慢釋放能量，而燃燒或熄滅均可控制的秘訣，在于蜂窩煤爐的爐門。將蜂窩煤爐的燃料換成核燃料，燒上開水，讓開水變成蒸汽去推動(dòng)輪機(jī)發(fā)電，就相當(dāng)于核電站的基本雛形。

德國科學(xué)家稱，核聚變所需的燃料氘、氚，在自然界中儲(chǔ)存量十分巨大，而一公斤核聚變?nèi)剂纤a(chǎn)生的電能又等同于1.1萬噸煤炭；除此之外，核聚變反應(yīng)爐既不排放二氧化碳，也比目前核電廠所采用的核裂變反應(yīng)爐，產(chǎn)生更少的核廢料，放射性也將在短期內(nèi)消失。“仿星器”設(shè)計(jì)方案可能是未來最為合適的核電廠類型。

“全球能源需求不斷增長，我們必須探索一切獲取能源的可能性。Wendelstein7-X是全球最大的仿星器裝置，能有效幫助我們拓展對核聚變的認(rèn)識，希望借助此類實(shí)驗(yàn)找到長期維系能源的可持續(xù)供應(yīng)的新方法。”德國聯(lián)邦教研部長約翰娜˙萬卡（JohannaWanka）在該裝置的竣工儀式上表示。

除了Wendelstein7-X型反應(yīng)堆，從事核聚變的物理學(xué)原理研究的馬克思普朗克研究所，目前運(yùn)營著慕尼黑附近加興市（Garching）的托克馬克（Tokamaks）裝置，這也讓馬克思普朗克成為世界上唯一一家同時(shí)擁有兩種不同類型聚變裝置的研究所。

托克馬克裝置是目前核聚變領(lǐng)域最為常見的設(shè)計(jì)方案，其典型外觀是一種中空的金屬艙，外形類似中空的蛋糕甜點(diǎn)。隨著加入其中的燃料被加熱，溫度超過1500萬攝氏度，將產(chǎn)生超高溫等離子體。

不過，托克馬克的設(shè)計(jì)存在安全隱患。其采用了兩組強(qiáng)大的磁鐵提供對等離子體的約束，磁鐵分別安放在真空腔和設(shè)備內(nèi)部，以驅(qū)動(dòng)真空腔內(nèi)的等離子體運(yùn)動(dòng)。但這會(huì)使裝置內(nèi)部磁場強(qiáng)度高于外部，有可能使得裝置內(nèi)部的等離子體沖向設(shè)備外壁，并與電子結(jié)合，重新變成原子。一旦電流或磁場中斷，將對整個(gè)反應(yīng)堆造成破壞，影響安全。

與之相比，Wendelstein7-X型反應(yīng)堆的優(yōu)勢之一就在于，可以克服托克馬克裝置設(shè)計(jì)中的安全缺陷。該裝置中，等離子體采用外部磁線圈產(chǎn)生的扭曲磁感線，對內(nèi)部運(yùn)行的等離子體進(jìn)行約束，杜絕了上述安全隱患。

此外，約束高溫等離子體的時(shí)長是Wendelstein7-X型反應(yīng)堆的另一個(gè)優(yōu)勢。Wendelstein7-X型反應(yīng)堆對高溫等離子體的連續(xù)約束時(shí)間長達(dá)30分鐘，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于托克馬克6分30秒的最高紀(jì)錄。較短的約束時(shí)間，會(huì)使得托克馬克裝置的能源消耗大于產(chǎn)出。

不過，也有專家對在線新聞網(wǎng)站BI表示，懷疑Wendelstein7-X對等離子體的約束時(shí)間。“世界都在等待Wendelstein7-X最終的約束時(shí)間，現(xiàn)在到了證明的時(shí)候。”普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人大衛(wèi)˙蓋茨（DavidGates）對《科學(xué)》周刊稱。

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