斗争革命性核聚变机器,仿星器磁场强度达设计

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德国开启世界最大“仿星器”核聚变反应堆

文章来源:中国科技网-科技日报

60多年来,科学家们一直梦想着一种永不枯竭的清洁能源形式:核聚变。

据美国麻省理工学院《技术评论》杂志网站报道,德国总理默克尔2月3日开启了迄今最大的仿星器核聚变反应设备“螺旋石7-X”。该设备首次制造出氢等离子体,向实现受控核聚变迈出重要一步。

试验呈现的表面磁场线(《自然·通讯》杂志供图)

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德国开启世界最大“仿星器”核聚变反应堆

而他们还在梦想着。

按设计,“螺旋石7-X”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。

美国能源部普林斯顿等离子体物理实验室官网12月4日发布公告称,该实验室物理学家萨姆·拉泽尔松与德国科学家合作证实,核聚变装置代号“W7-X”的仿星器能产生与设计值完全一致的高强磁场。实验中获得的磁场强度偏离设计值的误差不到十万分之一,这一结果成为验证仿星器用作核聚变模型的关键一步。

科学家成功开启了世界上最大的“仿星器”核聚变反应堆。该装置被昵称为“文德尔施泰因 7-X”,一次约束超高温的等离子体长达30分钟以上。

据英国《每日邮报》报道,科学家已经成功地开启世界上最大的“仿星器”(Stellarator)核聚变反应堆。该装置被昵称为“文德尔施泰因7-X”,能一次约束超高温的等离子体长达30分钟以上。 近日,W7-X反应堆制造出了一种超高温的特殊气体,持续了十分之一秒。科学家希望,如果反应堆作用时间可以长一些,那将最终为我们带来无限制的清洁廉价能源。12月10日,该反应堆制造出了温度高达100万摄氏度的氦等离子体。 “我们感到非常满意,”参与W7-X运行操作的汉斯-斯蒂芬•博世(Hans-StephanBosch)博士在第一天的实验结束时说,“一切都按照计划进行。”下一个任务将是延长等离子体放电的时间,并研究利用微波制造并加热氦等离子体的最佳方法。 研究者称,W7-X装置的设计成功,将有助于核聚变能源最终成为现实。该装置目前放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室中。长时间约束超高温等离子体是反应堆设计的“圣杯”,将有可能为世界提供用之不竭的能量来源。 类似W7-X这样的核聚变反应堆,采用的是两种氢的同位素——氘和氚——的原子,这些气体被注入一个密闭室。接着,科学家添加能量,将气体原子的电子移除,生成等离子体。这些等离子体能释放出巨大的能量。在密闭室周围环绕着超导线圈,可以产生强磁场。通过电流的引导,强磁场穿过等离子体,使其远离密闭室的内壁。 反应堆最常见的设计称为托卡马克装置,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。 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》杂志的深度报告中,马克斯•普朗克研究所的科学家称,W7-X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。 美国威斯康辛大学的工程师大卫•安德森(DavidAnderson)说:“托卡马克装置的使用者正在期待会发生什么,W7-X令全世界感到振奋。”在托卡马克装置中,有两组磁场用于约束等离子体,一组环绕在密闭室之外,一组位于密闭室内部,可以引导穿过等离子体的电流。这种设计使密闭室内部的磁场强于外部,等离子体有可能移动到密闭室壁上,导致磁场崩溃。 在仿星器里,等离子体被约束在外部的磁线圈内,这些磁线圈能在真空的密闭室内产生扭转的磁场线,从而使等离子体一直远离密闭室壁。W7-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。该装置总共有16米宽。 1951年,在普林斯顿大学工作的莱曼•斯皮策(LymanSpitzer)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。

但是感谢普朗克研究所在等离子体物理学上的努力,专家们希望这可能会很快改变。

启动后,W7-X的微波加热装置开始运转,将氢气加热至8000万摄氏度,氢等离子体随之产生,并存在了四分之一秒。W7-X运行部门主管汉斯-斯特凡·博施说,这是该仿星器首次制出氢等离子体,实验效果“完全符合预期”。

仿星器概念最早于1951年由著名物理学家莱曼·斯皮策提出,从上世纪70年代开始,大多数核聚变研究聚焦于另一国际热核聚变装置——托卡马克。

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去年,经过110万施工小时,该所完成了世界上最大的称为仿星器的核聚变机器。

W7-X由德国马克斯·普朗克等离子体物理研究所承建,项目投资超过10亿欧元,设备组装工作耗时9年,于2014年完成。随后,研究人员对所有技术系统展开了逐一测试。2015年12月,研究人员成功利用W7-X制出氦等离子体,为制造氢等离子体做准备。

两者都是将氘、氚原子注入反应堆密封装置再进行“点火”,但托克马克装置提供的是对称二维磁场,这种设计存在安全隐患,释放的强大磁场有可能击毁整个反应堆。而仿星器用弯曲的三维磁场将高温等离子体封闭,磁场完全来自外部线圈,不会出现突然中断的离子体电流,从而更加安全实用。

“文德尔施泰因 7-X”第一次产生的等离子体,主要由氦组成,达到了大约100万摄氏度的高温。

这台直径52英尺的机器名叫W7-X。

受控核聚变被认为是解决未来能源问题的主要选择之一。核聚变反应产生的能量远高于裂变反应产生的能量,所需的氚和氘在自然界中广泛存在,核聚变反应堆比目前的核裂变反应堆产生的核废料更少,放射性污染也会在短期内消失。

W7-X由德国马克斯普朗克等离子体物理研究所负责建成,是目前全世界最大、设计最复杂、“版本”最新的仿星器。PPPL是与德方合作的主要美方实验室,负责设计有5个谷仓门大的调整线圈,这些线圈能调控并测量W7-X的磁场强度。

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经过一年多测试,工程师们终于准备好首次点亮这台11亿美元机器。

但是应用核聚变的难度在于,要让超高温的等离子体“受控”,否则就可能变成氢弹爆炸。科学家在实验中用强磁场来约束和控制等离子体,有环形的托卡马克装置和螺旋形的仿星器装置等不同类型。

拉泽尔松团队开展了其中一半验证W7-X磁场强度的实验。为测量磁场强度,他们沿着磁场线发射电子束,再用荧光棒切断磁场线,从而获得整个磁场表面的横截面。

“文德尔施泰因 7-X”放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室内。研究者宣称,该装置的设计将最终促使核聚变能源成为现实。

核反应堆中的黑马

目前,美、英、法和中国等国均在发展托卡马克装置。仿星器的概念在上世纪50年代就已提出,德国科学家认为仿星器更加稳定,更可能是未来核聚变反应堆的发展方向。他们还计划逐步扩建“螺旋石7-X”,到2020年获得可持续30分钟的等离子体,进一步向受控核聚变的目标迈进。

拉泽尔松激动地说:“就我们所知,不论是核聚变装置还是磁场拓扑测量,之前都没有取得十万分之一这样高精确度匹配值。”

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仿星器在等离子体物理学界被称为核聚变反应堆中的“黑马”,它恶名昭彰地难以建造。

他们在发表于《自然·通讯》杂志上的论文中表示,等离子束理论和超强计算等技术为仿星器带来全新机遇,W7-X能否为“仿星器是提供核能的最适合概念”做出注解,再过几年,等离子体物理学会给出最终结论。

该系统初次测试时的图像,显示了荧光分支闭合的过程,使嵌套的磁场表面变得可见。

下面显示了W7-X历时19年才造完的众多不同层次:

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从2003年到2007年,该项目在建设期间遭受了一些重大挫折——包括承包制造商之一倒闭——几乎导致整个项目取消。

在仿星器内,等离子体被控制在外层的磁线圈内,这些磁线圈的真空内室能产生扭转的磁场。

建造仿星器的尝试屈指可数,而建成的甚至更少。

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相比之下,仿星器更受欢迎的表亲称为托卡马克,却得到广泛使用。世界各地有超过三十六台托卡马克正在运作,而史上一共曾建造过200多台。这些机器更容易建造,而且在过去作为核反应堆比仿星器性能更好。

“文德尔施泰因 7-X”装置内并联环路的电子束,显示出沿着磁场线的轨迹。

但托卡马克们有一个重大缺陷,而W7-X据说对此是免疫的,预示着这台最新的德国机器怪兽可能会是一个游戏规则改变者。

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核聚变反应堆如何工作

工作人员正在制作“文德尔施泰因 7-X”的一个内部组件。

托卡马克装置比仿星器层数更少,而且磁线圈形状也不同。

新浪科技讯 北京时间12月15日消息,据英国《每日邮报》报道,科学家已经成功地开启世界上最大的“仿星器”(Stellarator)核聚变反应堆。该装置被昵称为“文德尔施泰因 7-X”,能一次约束超高温的等离子体长达30分钟以上。

任何一种核聚变反应堆成功的关键是生成、约束和控制一坨称为等离子体的气体,它被加热到1.8亿华氏度以上的温度。

近日,W7-X反应堆制造出了一种超高温的特殊气体,持续了十分之一秒。科学家希望,如果反应堆作用时间可以长一些,那将最终为我们带来无限制的清洁廉价能源。12月10日,该反应堆制造出了温度高达100万摄氏度的氦等离子体。

在这种炽热温度下,电子被从原子上扯下,形成等离子。

“我们感到非常满意,”参与W7-X运行操作的汉斯-斯蒂芬:博世(Hans-Stephan Bosch)博士在第一天的实验结束时说,“一切都按照计划进行。”下一个任务将是延长等离子体放电的时间,并研究利用微波制造并加热氦等离子体的最佳方法。

通常情况下,离子们会像碰碰车一样互相弹开,但在这种极端条件下它们间的排斥力就能被克服。

研究者称,W7-X装置的设计成功,将有助于核聚变能源最终成为现实。该装置目前放置在德国格赖夫斯瓦尔德的一个大型实验室中。长时间约束超高温等离子体是反应堆设计的“圣杯”,将有可能为世界提供用之不竭的能量来源。

因而离子就能互相碰撞并融合,产生能量,你就完成了核聚变。今天的核反应堆的燃料不同于核聚变,它的运作能量来自于原子衰变或裂变,而不是融合。

类似W7-X这 样的核聚变反应堆,采用的是两种氢的同位素——氘和氚——的原子,这些气体被注入一个密闭室。接着,科学家添加能量,将气体原子的电子移除,生成等离子 体。这些等离子体能释放出巨大的能量。在密闭室周围环绕着超导线圈,可以产生强磁场。通过电流的引导,强磁场穿过等离子体,使其远离密闭室的内壁。

核聚变过程驱动了我们的太阳约45亿年,并且还将继续约40亿年。

斗争革命性核聚变机器,仿星器磁场强度达设计峰值。反应堆最常见的设计称为托卡马克装置,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。

一旦工程师们在反应堆中加热气体到适当温度,就使用超低温冷却的磁线圈产生强大磁场约束和控制等离子体。

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》杂志的深度报告中,马克斯:普朗克研究所的科学家称,W7-X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。

托卡马克和仿星器的区别

美国威斯康辛大学的工程师大卫:安德森(David Anderson)说:“托卡马克装置的使用者正在期待会发生什么,W7-X令全世界感到振奋。”在托卡马克装置中,有两组磁场用于约束等离子体,一组环绕在密闭室之外,一组位于密闭室内部,可以引导穿过等离子体的电流。这种设计使密闭室内部的磁场强于外部,等离子体有可能移动到密闭室壁上,导致磁场崩溃。

因为托卡马克的磁线圈配置比目前运作中的仿星器能更好地约束等离子体,它多年来被认为是以太阳的方式产生能量的最有前途的机器。

在仿星器里,等离子体被约束在外部的磁线圈内,这些磁线圈能在真空的密闭室内产生扭转的磁场线,从而使等离子体一直远离密闭室壁。W7-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。该装置总共有16米宽。

但是有一个问题:托卡马克只能短暂爆发地控制等离子体,持续不超过七分钟。而生成等离子体所需的能量比工程师们能从这些周期性爆发中得到的能量更多。

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。

因而托卡马克们消耗比它们所产生更多的能量,这可不是你想要的已被吹捧为“未来千年中最重要的能量来源”的核聚变反应堆。

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因为仿星器的设计,专家们猜测它能一次性维持等离子体至少30分钟以上,这比任何托卡马克都长的多。法国的托卡马克装置“ToreSupra”目前保持着6分30秒的记录。

如果W7-X成功,它将改变核聚变界的方向并把仿星器推到聚光灯下。

“全世界正等着看我们是否能达到约束时间,并保持更长的脉冲,”普林斯顿等离子体物理实验室的仿星器首席物理学家DavidGates告诉记者。

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