核聚變:直徑一米的微型託卡馬克裝置達到一億度。未來是模塊化的嗎?



直徑僅一米的緊湊型聚變反應堆內的離子首次被加熱到神奇的 1 億攝氏度,這是朝著實際實現核聚變能邁出的重要一步。

來自英國託卡馬克能源有限公司、美國普林斯頓和橡樹嶺國家實驗室以及德國能源與氣候研究所的研究人員打破了球形託卡馬克裝置 (ST) 的記錄,該裝置不同於“甜甜圈”形大型反應堆中加熱燃料的圓形路徑將等離子體限制在“蘋果形”渦流中,旨在提高發電的穩定性和實用性。


核聚變模擬太陽和類似恆星核心的基本過程,將較小元素聚變的能量壓縮成較大元素。如果我們做對了——這是一個很大的“如果”——這意味著幾乎取之不盡、用之不竭的清潔能源,沒有有害排放物。

雖然恆星擁有巨大的引力來融合元素和釋放能量,但我們不得不依賴熱量。很多熱量,實際上相當於比太陽核心還要熱好幾倍。

將原子成分或離子加熱到至少 1 億攝氏度(基本上任何高於 1 億開爾文度,或 8.6 千電子伏特的能量)對於獲得正確的壓力至關重要。

“離子溫度高於 5 keV [千電子伏特] 以前在任何 ST 中都沒有實現,只有在具有更大等離子體加熱功率的更大的設備中才能實現,”研究人員在發表的論文中寫道。

在這種情況下,使用了稱為 ST40 的球形託卡馬克。除了安全運行所需的機械外,反應堆本身的尺寸僅為 0.8 米,與直徑可達數米的較大託卡馬克裝置相比,只是一小部分。

與較大的聚變反應堆相比,這些較小的設備建造起來更便宜,而且可能更高效、更穩定——如果你想讓一項技術在商業上可行,這些都是優勢。

為了達到新的溫度記錄,研究人員採用了多項優化措施,包括使用 ST 本身以及在加熱和電子密度方面製備等離子體的方式。

一些技術借鑒了 1990 年代在比 ST40 大得多的託卡馬克聚變試驗反應堆中進行的“超射”實驗。從本質上講,該方法涉及在很短的時間內施加大量熱量。

科學家採用的另一個優化技巧是加熱帶正電的離子,而不是等離子體中帶負電的電子。這種模式稱為熱離子模式,有助於增加反應次數和託卡馬克的性能。

“這些溫度是在熱離子模式下實現的,其中離子的溫度超過電子的溫度,通常是兩倍或更多,”研究人員寫道。

雖然這一發現和其他類似發現肯定令人興奮,但核聚變仍處於實驗階段,在被視為實用能源之前需要克服幾個障礙。考慮到未來的技術挑戰,並非所有人都相信核聚變發電是可能的。

此處也強調了這些挑戰:達到最高溫度僅 150 毫秒。在實驗室取得了優異的成績,但沒有太多時間為能源網做出具體貢獻。

然而,每一項發現都讓我們更接近最終目標——考慮到球形託卡馬克是產生核聚變反應的最有希望的選擇之一,因此必要的能量和經濟方程最終變得有意義,這一點尤其值得注意。

研究人員寫道:“這些結果首次表明,與商業磁約束聚變相關的離子溫度可以在緊湊型高場 ST 中實現,並且預示著基於此類 ST 的聚變發電廠的發展是個好兆頭。”


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這是在 Thu, 01 Jun 2023 20:14:42 +0000 在 https://scenarieconomici.it/fusione-nucleare-il-mini-tokamak-di-un-metro-di-diametro-raggiunge-i-100-milioni-di-gradi-il-futuro-e-modulare/ 的報紙 “Scenari Economici” 上發表的文章的翻譯。