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美探索电浆反应机制,有助提升核融合运作稳定性

2024-12-24 217

若想要把核融合带出实验室、成功在地球上打造一颗“恒星”,科学家首先得找出稳定核融合反应炉内电浆的方法,而近期普林斯顿大学电浆物理实验室(PPPL)提出一项解决方法,有望让将来的核融合反应炉顺利运作。

核融合为备受看好的未来能源技术,有望以安全且无排碳方式产生大量电力,可提供的能量远远超过现在的核分裂技术,然而到目前为止科学家还没找出稳定反应炉运作的方法。

该技术是将氢的两种同位素氘、氚原子结合,形成一个较重的原子核与一个较轻的原子核,而若要进行核融合反应,得将物质的温度提高使原子核和电子分开,进而形成电浆,最后科学家再利用强大的磁场来控制与封闭电浆。

核融合电厂研发不易,从制造耐高温设备、提高电浆温度到稳定电浆都存在考验且环环相扣,此次 PPPL 便想要解决电浆中撕裂波模(tearing mode)的难题,其中撕裂波模就是磁力线结构重连,把不同方向的磁力线结合形成磁岛(magnetic islands),磁岛成长就会造成电浆不稳定,让科学家无法有效控制核融合反应导致电浆破裂,进而使反应炉设备受损。

过去科学家也有想要解决这项物理挑战,1980 年代时他们发现,用射频来驱动电浆中的电流可以稳定撕裂波模,进一步降低电浆破裂风险,但最近 PPPL 研究指出,一旦射频功率超过关键阈值,电浆温度变化等扰动也可以改善稳定性。

科学家表示,电浆温度变化的扰动会影响电流驱励强度以及在磁岛内部的射频功率,这会在温度扰动与射频功率之间形成非线性回馈机制,而当回馈机制与电流驱励-温度扰动的灵敏度相结合时,就能大幅改善电浆稳定性,科学家则称这种状态为“射频电流凝聚(RF current condensation)”。

PPPL 理论物理学家 Allan Reiman 表示,当磁岛内的射频功率超过临界值,电浆温度就会快速升高,进而增强稳定效果。因此普林斯顿大学与能源部都认为这项研究将对世界上最大的核融合实验反应炉 ITER 大有裨益,可为预订在 2025 年完工的核融合测试反应炉铺平道路。

Reiman 指出,过去人们会担心磁岛成长会中断核融合反应,新技术或许可让 ITER 反应炉内的电浆更加稳定。

  • Scientists inch closer to fusion energy with discovery of a process that stabilizes plasmas
  • Nuclear fusion moves a small step closer with new discovery on control of fusion plasmas
  • SCIENTISTS DISCOVERED A NEW WAY TO STABILIZE FUSION REACTIONS

(首图来源:ITER)

延伸阅读:

  • 避免核融合反应炉过热,美科学家让电浆由内而外降温
  • 英国开发核融合不遗余力,拨出 2,000 万英镑预算加速商业化
  • 世上最大的核融合实验反应炉施工进度已过半,预计 2025 年首度测试
2019-03-10 18:31:00

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