與托卡馬克相媲美？核聚變“黑馬”仿星器大步前進(jìn)
在開發(fā)商用聚變反應(yīng)堆的競賽中，一種曾被視為“黑馬“的反應(yīng)堆脫穎而出。
長期以來，被稱為托卡馬克的甜甜圈形狀的機(jī)器備受希望聚變原子以產(chǎn)生能量的科學(xué)家的青睞。相比之下，它們的“近親”——仿星器得到的關(guān)注和資金較少，因為它們性能不佳，而且復(fù)雜的幾何形狀更難設(shè)計和制造。但從長遠(yuǎn)來看，仿星器具有的某些特性，可能會使它們未來成為更好的發(fā)電裝置。
無限一號將使用奇怪的磁鐵幾何形狀（金色）來限制等離子體。圖片來源：Type One Energy 現(xiàn)在，隨著對所需物理知識的更好掌握和更強(qiáng)大的超級計算機(jī)的配備，幾家初創(chuàng)公司發(fā)布了他們認(rèn)為在下一個十年結(jié)束前可以發(fā)電的原型機(jī)的設(shè)計。其中一家公司還測試了一種新的磁鐵技術(shù)，以使建造仿星器更容易。
“人們開始意識到，仿星器可能是一條可行之路。”美國Type One Energy公司副總裁、理論學(xué)家Chris Hegna說。近日，該公司的科學(xué)家在《等離子體物理學(xué)雜志》上發(fā)表了7篇論文，詳細(xì)描述了他們提出的試驗工廠——無限二號（Infinity Two）。
仿星器和相關(guān)設(shè)計的終極考驗是，將燃料的溫度和壓力提高到足夠高的水平，使原子核聚變并釋放出比引發(fā)反應(yīng)所需更多的能量。到目前為止，除美國國家點火裝置的短暫激光閃光外，還沒有反應(yīng)堆達(dá)到這一目標(biāo)。
但就連一些托卡馬克研究人員也說，仿星器是一個很有前景的方向。美國麻省理工學(xué)院等離子體科學(xué)與聚變中心前主任Dennis Whyte說：“我對仿星器的出現(xiàn)感到非常興奮。與托卡馬克相比，仿星器帶來了操作上的簡化?！?span style="display:none">85N知多少教育網(wǎng)-記錄每日最新科研教育資訊
聚變裝置面臨的一個關(guān)鍵挑戰(zhàn)是限制其過熱的燃料，即氫離子和電子組成的翻滾等離子體。要使離子發(fā)生聚變，需要1億攝氏度的溫度——這個溫度足以摧毀任何物質(zhì)。
托卡馬克利用強(qiáng)磁場將等離子體“鎖住”，然后用微波和粒子束加熱等離子體。一系列磁線圈垂直和水平地環(huán)繞著“甜甜圈”，驅(qū)動等離子體在“甜甜圈”周圍流動，等離子體“電流”會產(chǎn)生自己的磁場。自20世紀(jì)60年代以來，大部分聚變設(shè)施都采用了這種方法。
托卡馬克能很好地控制粒子及其熱量，但也有致命弱點。托卡馬克中心驅(qū)動回路周圍等離子體電流的電磁鐵不能無限期地這樣做，必須偶爾暫停和重置。托卡馬克也容易發(fā)生“中斷”，即等離子體流動的故障，導(dǎo)致其粒子偏離軌道，從而可能破壞容器壁，破壞還可能產(chǎn)生直接燒穿容器壁的電子束。
相比之下，仿星器可能更好。像托卡馬克一樣，它也是甜甜圈狀的，但仿星器的磁鐵可以在不需要等離子體電流的情況下限制等離子體。因此，它們不會受干擾，也不需要重置。Whyte說，理論上，它“可以打開一次，然后永遠(yuǎn)開著”。但早期的仿星器表現(xiàn)不佳，因為碰撞的粒子從等離子體中擴(kuò)散出來，冷卻了等離子體，使其無法達(dá)到聚變溫度。
上世紀(jì)八九十年代，仿星器設(shè)計者能夠通過計算磁場的形狀，從而限制消耗熱量的粒子碰撞。他們還設(shè)計了產(chǎn)生這些磁場所需的磁鐵幾何形狀——通常具有奇怪的扭曲形狀，使得機(jī)器制造困難且昂貴。
2015年，德國馬克斯·普朗克等離子體物理研究所（IPP）首次推出了第一個大規(guī)模優(yōu)化的仿星器W7-X。過去10年里，W7-X的運行時長和等離子體溫度已經(jīng)增長到可以與托卡馬克相媲美。去年，核聚變工業(yè)協(xié)會的一份報告列出了8家從事仿星器研究的公司，而從事托卡馬克研究的公司只有6家。
據(jù)報道，Type One Energy公司正在去年融資8200萬美元的基礎(chǔ)上，尋求2億美元的投資，以完成其第一臺機(jī)器無限一號（Infinity One）的設(shè)計。 工程將于明年啟動。Hegna說，無限二號是公司現(xiàn)在的重點，并可能在未來十年內(nèi)啟動，這是一個真正的聚變試驗工廠。
Type One Energy表示，該機(jī)器跨度近14米，產(chǎn)生800兆瓦的熱量，從而產(chǎn)生350兆瓦的電力。今年2月，它與美國電力公司田納西河流域管理局簽署了一項協(xié)議，在退役的Bull Run發(fā)電廠建造反應(yīng)堆。Type One Energ計劃在其磁體中使用高溫超導(dǎo)體，使其能夠在保持機(jī)器緊湊的同時產(chǎn)生更強(qiáng)的磁場。
近日， 從IPP衍生的德國Proxima Fusion公司在《聚變工程與設(shè)計》發(fā)表了一篇論文，描述了另一臺名為Stellaris的仿星器的設(shè)計。Stellaris也將目標(biāo)設(shè)定為在本世紀(jì)30年代產(chǎn)生電力。該公司表示，將在2027年用高溫超導(dǎo)體建造一個測試磁體，在2031年建造一個演示仿星器。這項工作的挑戰(zhàn)之一是以合理的成本制造復(fù)雜的磁鐵幾何形狀。據(jù)悉，Proxima Fusion在計算設(shè)計方面投入了大量資金，以應(yīng)對這些復(fù)雜性。
美國另一家仿星器公司——Thea energy，希望完全摒棄復(fù)雜的磁鐵形狀，用一系列不同角度的簡單圓形線圈形成磁場，然后用覆蓋在反應(yīng)堆外部的數(shù)百個可控制的平面磁鐵——磁像素來調(diào)整磁場。上周，該公司在預(yù)印本平臺arXiv上公布了一篇論文，描述了由高溫超導(dǎo)體制成的磁像素陣列的測試，結(jié)果表明，通過單個像素的開啟或關(guān)閉，可以產(chǎn)生不同的磁場形狀。
所有這些發(fā)展都在仿星器制造者中建立了新信心。W7-X項目負(fù)責(zé)人Thomas Klinger說：“我認(rèn)為，托卡馬克看起來更容易建造的優(yōu)勢正在消失?！?span style="display:none">85N知多少教育網(wǎng)-記錄每日最新科研教育資訊
人工智能和大規(guī)模3D打印技術(shù)在磁鐵設(shè)計制造上的應(yīng)用，可能會進(jìn)一步削弱托卡馬克的優(yōu)勢。Whyte說，仿星器正在迅速趕上?！八鼈兒苡锌赡軙晒Α！?span style="display:none">85N知多少教育網(wǎng)-記錄每日最新科研教育資訊
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