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神秘公司突破反應堆極限
在超高溫下使等離子體保持5毫秒穩定
2015-09-09|【 【打印】【關閉】

   

  核聚變反應堆“反場位形”:一股利用自身磁場結合在一起的環形等離子體。

  在美國洛杉磯南部一個郊區工業園里,研究人員朝著掌控核聚變—— 一種能提供豐富、廉價、清潔能源的過程——邁出了重要一步。一家名為三阿爾法能源的私人投資公司建造了一臺能形成一團超熱氣體(約1000萬攝氏度)的機器,并且使其在沒有衰變的情況下保持了5毫秒的穩定。這看上去只是眨眼之間,但已經比利用此項技術的其他研究長了很多,而且首次證實將氣體保持在穩態下是可能的。

  作為三阿爾法顧問委員會一員的斯坦福大學粒子物理學家Burton Richter表示,如果公司科研人員能將技術升級至更長的時間和更高的溫度,他們將達到這樣一個階段,即氣體中的原子核發生足以使其融合在一起的強有力碰撞,從而釋放能量。

  “直至你學會控制并且馴服熾熱氣體,否則它永遠不會有什么作用。而他們似乎已經找到了馴服它的方法。”競爭對手、核聚變初創公司——圣地亞哥能量/物質轉化公司負責人Jaeyoung Park說,“下一個問題是你能在多大程度上將熱量限制在氣體中。我以最大的善意揣度他們,并且想在接下來的兩三年里觀察他們的舉動。”

  盡管其他初創公司也在嘗試利用類似方法實現核聚變,但這個領域的主要工作還是諸如耗資200億美元、由一個國際協作組正在法國建設的國際熱核實驗反應堆(ITER)和美國能源部耗資40億美元、位于加州利弗莫爾的國家點火裝置等政府資助的大型項目。然而,不斷攀升的成本和此類項目的復雜性正在讓很多人懷疑,他們能否創立用可承受的成本產生能源的發電廠。

  三阿爾法和類似的努力采取了一種不同的方法,有望創立能被更快速研制出來的更加簡單和廉價的機器。重要的是,相較于大多數其他核聚變反應堆,三阿爾法的機器或許能利用不同的燃料運行。這種由氫和硼混合在一起的燃料比較難發生反應,但三阿爾法的研究人員表示,它避免了傳統核聚變發電廠可能面臨的很多問題。“他們走到今天這一步,是因為人們堅信能使氫—硼反應堆運行。”三阿爾法公司顧問、康奈爾大學等離子體物理學家David Hammer表示。

  不過,并未參與此項目的普林斯頓大學等離子體物理學家Jon Menard介紹說,燃燒氫—硼燃料需要30多億攝氏度的超高溫,而這將“非常具有挑戰性”。在他看來,很難預測氣體在高溫下將如何表現。“我有點擔心,他們的模擬試驗落后于經驗。”Menard表示,但這種方法“值得進一步研究”。

  像其他核聚變技術一樣,三阿爾法的設備旨在困住氣體,但它是如此的熾熱,以至于原子被剝去了電子,產生被稱為等離子體的電子和離子混合物。如果離子在力的作用下相互碰撞會發生融合,從而將一部分質量轉化成能量。不過,這需要至少1億攝氏度的高溫,熱到足以熔化任何容器。因此,反應堆設計者面臨的第一個挑戰是如何在不碰觸到等離子體的情況下將其困住。像NIF一樣的設備能使等離子體迅速聚爆,從而依靠內在慣性使其維持足夠長的時間發生核聚變反應。與此相反,ITER利用被稱為托卡馬克的環形室內強有力的磁場,使等離子體保持穩定。一部分磁場由超導磁體的復雜網絡提供,其他部分則由像電流一樣圍繞環形流動的等離子體本身提供。

  三阿爾法的機器也能產生環形等離子體,但粒子的流動產生了將等離子體結合在一起的全部磁場。這種被稱為反場位形(FRC)的方法自上世紀60年代起便為人所知。然而,盡管進行了幾十年的研究,但科學家只能使等離子體團在散開或熔化前維持約0.3毫秒。1997年,出生于加拿大的加州大學歐文分校物理學家Norman Rostoker和同事提出了一種新方法。第二年,他們成立了目前坐落于一間不起眼且無任何標記的廠房中的三阿爾法公司。從桌面設備的建造開始,公司到去年已有150名雇員,并且正致力于研發C-2——被磁體環繞且控制設備、診斷儀器和粒子束生成器密集的23米長管子。這臺機器會形成兩股環形等離子體——兩端附近各一股,并且以每小時近100萬公里的速度將其射向中間。在中心處,它們融合形成更大的FRC,并將其動能轉化成熱能。

  該公司一位要求匿名的投資人表示:“從我們開始投資以來,此次突破是第一次讓人感覺到好像石頭正開始往山下滾而不是將其向上推。”(宗華)

  《中國科學報》 (2015-09-02 第3版 國際)

 
 
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