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【新能源】德国开启全球最大“仿星器”核聚变反应堆,能源危机终结者?
醉卧青云 2016-01-03
导语

60多年来,科学家们一直梦想着掌握如太阳般制造能量的技术,获得永不枯竭的清洁廉价能源形式:核聚变。直到今天,这一愿景仍似近实远。但德国马克斯·普朗克研究所近日开启的世界最大核聚变研究设备仿星器(Stellarator),有望加速核聚变时代的到来。

图:世界最大核聚变研究设备仿星器(Stellarator):WX-7核聚变装置

60多年来,科学家们一直梦想着掌握如太阳般制造能量的技术,获得永不枯竭的清洁廉价能源形式:核聚变。直到今天,这一愿景仍似近实远。但德国马克斯·普朗克研究所近日开启的世界最大核聚变研究设备仿星器(Stellarator),有望加速核聚变时代的到来。

托卡马克装置(Tokamak)

如果你听说过核聚变,那么你就听说过托卡马克。这种像甜甜圈一样的设备在被加热到让氢原子核熔化的超高温时,可以把一种叫作等离子体的电离气体通过磁场圈 在“笼子”中。托卡马克是承载核聚变反应的设备。下图所示的就是反应堆最常见的设计称为托卡马克装置(Tokamak),这是一个类似圆形线圈的中空金属结构。燃料在加热到1.5亿摄氏度以上时,能形成高温等离子体。尽管托卡马克装置能理想地约束这种等离子体,但也暴露出一些安全风险,比如当电流故障时,磁场就会立即崩溃。

图:托卡马克装置(Tokamak)

仿星器(Stellarator)装置的独特优势

这种崩溃会导致磁场力的释放,并足以损坏反应堆。在发表于《科学》(Science)杂志的深度报告中,马克斯·普朗克研究所的科学家称,仿星器(Stellarator)装置是一个更加实用的选择,可以克服托卡马克装置存在的安全问题。

所谓仿星器,顾名思义,就是对恒星的模仿,实际上是一种核聚变反应装置。仿星器通过模仿恒星内部持续不断的核聚变反应,将等离子态的氢同位素氚和氘约束起来,并加热至1亿摄氏度的高温,发生核聚变以获得持续不断的能量。

尽管仿星器从原理上说和托卡马克是一样的,但它们却一直是聚变能研究领域的“黑马”。托卡马克更有利于密封等离子体,并且可持续保持高温,使内部反应不断发生。但是托卡马克装置也有严重的缺点。变压器仅能以短脉冲方式驱动等离子体中的电流,这并不适用于商业化的核聚变反应堆。同时,等离子体中的电流还会动摇不 定,难以预测,导致“扰乱”:突然间失去等离子体约束,释放出强大的磁场,这种磁场足以毁坏反应装置。这些问题甚至困扰着崭露头角的类球形托卡马克装置的设计。

但是这种类似西班牙艺术家萨尔瓦多·达利风格的仿星器装置却具有许多独特之处,可以让其拥有更好的商业核聚变能发电前景:一旦被启动,这些仿星器就会自然而然地进入稳定状态,它们不会产生困扰托卡马克装置的让金属变弯的磁干扰。然而不利的是,它们的建造难度异常大,因此耗用的金钱也会难以预计,并且比其他核聚变项目的建成时间更加延后。

图:世界最大仿星器“Wendelstein 7-X”放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室内。

研究者称,该装置的设计将最终促使核聚变能源成为现实。

2015年12月10日,马克斯·普朗克研究所下属的等离子体物理研究所宣布,用于研究核聚变反应的世界最大仿星器“Wendelstein 7-X”(W7-X)当天开始运行,并首次制造出氦等离子体。“W7-X”是世界上最大的仿星器聚变装置,用来研究仿星器装置应用于聚变电站的适用性和可行性。

1951年,在普林斯顿大学工作的莱曼·斯皮策(Lyman Spitzer)首次提出了仿星器的概念。然而,由于当时材料的限制,这一想法被认为太过超前。现在,利用超级计算机和新的材料,科学家最终将斯皮策的理想变成了现实。

这座受控核聚变装置由马克斯·普朗克等离子体物理研究所承建,位于德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德,项目投资达10亿欧元,目前已投入约3.7亿欧元。在经过9年的建造、超过100万个工时的组装之后,这一大型装置的主要组装工作于2014年4月完成。随后,研究人员开始准备工作,对所有技术系统逐一进行测试。

12 月10日当天,研究人员向“W7-X”内部的等离子体容器中注入大约一毫克氦气,并打开微波加热装置,氦等离子体随之产生。虽然“W7-X”首次制造出的 氦等离子体放电仅持续十分之一秒,温度达到了1000000摄氏度,但研究人员对这一结果依然十分满意,表示“一切都在按计划进行”。对科学家们而言,下 一个任务是延长等离子体的放电时间,并研究使用微波产生和加热氦等离子体的最好方法。

“我们从惰性气体氦气开始制造等离子体,明年才会换成真正的研究对象——氢等离子体,”项目主管托马斯·克林格尔(Thomas Klinger)说,“因为将氦气变成等离子体更为容易,我们还能用氦等离子体清洁容器表面。”

图:“Wendelstein 7-X”装置的关键部件是一个50圈的超导磁线圈,高度大约为3.5米。该装置共有16米宽。

可控核聚变一直被视为人类彻底解决能源危机的终极模式

核聚变反应所需的氚和氘在自然界中广泛存在,1公斤核聚变原料产生的电能等同于1.1万吨煤产生的电能。核聚变反应堆比目前核电站的核裂变反应堆产生的核废料更少,放射性也会在短期内消失。因此,可控核聚变一直被视为人类彻底解决能源危机的终极模式。

目前在役的最大仿星器是位于日本鸟岛的大型螺旋装置项目(LHD),该装置从1998年起开始服役。如果Spitzer看到这个装置,也会认出它的设计模 式——在两个螺线圈的经典模型基础上进行了一些改变的仿星器,它可以扭转等离子体和其他线圈,从而增加磁约束强度。这个LHD装置保持着当前在役仿星器的几乎所有主要纪录,表现出良好而稳定的操作状态,它接近同样规模的托卡马克装置的运行状态。

首次尝试部分优化仿星器的项目则是文德尔施泰因7-AS(W7-AS),该项目位于慕尼黑附近加兴市的IPP,于1988~2002年运行。它打破了所有同规模仿星器创下的纪录。而威斯康星州的研究人员在1993年开始建造第一个全优化的仿星器,其研发的装置就是螺旋对称实验(HSX)装置,该装置在 1999年开始运行。“W7-AS和HSX表明了这种想法的可行性。”物理学家、PPPL仿星器负责人David Gates说。

这一成功增添了美国研究者试图建造更大装置的信心。2004年,PPPL开始利用和IPP不同的优化策略,建造国家级紧凑仿星器实验(NCSX)装置。但 是该项目在组装方面要求达到毫米级的精度,这使得项目经费不断攀升,工程日期不断延后。2008年,尽管该项目已经购置完80%的主要部件,但美国能源部 依然终止了该项目。“我们竭尽全力作出的成本估算和工程进度最终付诸东流。”PPPL研究人员、NCSX负责人George Hutch Neilson说。

与托卡马克相比,“W7-X”不但安全性更高,其最大特点是一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟,而托卡马克方式的这一约束时间最高纪录仅为6分30秒。实现对超高温等离子体的长时间约束是反应堆设计领域的“圣杯”,这意味着控制核聚变的进程,也就是说可以控制核聚变的开始和停止,并随时对反应速度进行调控。因此“W7-X”等仿星器设计方案被认为是未来核电站反应堆的发展方向。

参考资料:

1、全球科学家翘首期待德国“仿星器”测试结果,http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2015/11/330800.shtm

2、能源危机终结者:德国开启全球最大“仿星器”核聚变反应堆,http://www.thepaper.cn/newsDetail_forward_1410253

3、德国启动世界最大“仿星器”核聚变反应堆,http://www.dacankao.com/forum.php?mod=viewthread&tid=62201

更多阅读:【新能源】小型核聚变反应堆将成现实,取之不竭的能源?

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作者 醉卧青云

博士生

哈尔滨工业大学

活跃作者
  • 爱因斯坦 科研工作者 北京航空航天大学 博士
  • 梅西 本科生 北京工业大学 本科
  • 金陵 本科生 北京大学 本科


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