德國造出未來核電廠模型可控核聚變又進一步

德國的Wendelstein7-X核反應(yīng)堆可以極大提升核能利用效率，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)計方案可能是未來最為合適的核電廠類型。

六十多年來，科學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會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現(xiàn)了。

上周，美國《科學》周刊消息稱，經(jīng)過一年的測試，科學家們正力圖在今年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，最終幫助人類實現(xiàn)對核聚變釋放能量的有效利用。

這臺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，整個設(shè)備的寬約為16米?？偣埠臅r110萬小時，投入約10億歐元，于2014年建成。最關(guān)鍵的是，其一次運行可以連續(xù)約束超高溫等離子體長達30分鐘。

能否實現(xiàn)對超高溫等離子體的長時間約束，是反應(yīng)堆設(shè)計領(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，以及隨時可以對核聚變的反應(yīng)速度進行控制。

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；同時也可以摻點雜質(zhì)，做成蜂窩煤，使其當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輪機發(fā)電，就相當于核電站的基本雛形。

德國科學家稱，核聚變所需的燃料氘、氚，在自然界中儲存量十分巨大，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。Wendelstein 7-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識，希望借助此類實驗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（Johanna Wanka）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原理研究的馬克思普朗克研究所，目前運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。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)計存在安全隱患。其采用了兩組強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)動真空腔內(nèi)的等離子體運動。但這會使裝置內(nèi)部磁場強度高于外部，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)部運行的等離子體進行約束，杜絕了上述安全隱患。

此外，約束高溫等離子體的時長是Wendelstein7-X型反應(yīng)堆的另一個優(yōu)勢。Wendelstein 7-X型反應(yīng)堆對高溫等離子體的連續(xù)約束時間長達30分鐘，遠遠高于托克馬克6分30秒的最高紀錄。較短的約束時間，會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Wendelstein 7-X對等離子體的約束時間。“世界都在等待Wendelstein7-X最終的約束時間，現(xiàn)在到了證明的時候。”普林斯頓等離子體物理實驗室的負責人大衛(wèi)·蓋茨（DavidGates）對《科學》周刊稱。

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