作者:红枫 来源:中国科学报 发布时间:2015/11/2 10:33:55
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炮制“恒星”
全球科学家翘首期待德国“仿星器”测试结果

 

全世界都在等待着,看我们是否能够达到约束时间以及控制其进行一次长时间脉冲。

核聚变学家翘首以盼全球最大仿星器——德国WX-7核聚变装置测试结果。

图片来源:IPP BY C. BICKEL

如果你听说过核聚变,那么你就听说过托卡马克。这种像甜甜圈一样的设备在被加热到让氢原子核熔化的超高温时,可以把一种叫作等离子体的电离气体通过磁场圈在“笼子”中。托卡马克是承载核聚变反应的设备。尽管对工程师来说,它是一种固体的、对称的、操作简便的设备,但是相关工程进展却单调乏味、冗长缓慢。

现在,托卡马克难以驾驭的“表兄弟”也正在走进视线。德国东北部的一个实验室中隐约闪现着微弱的光亮,研究人员正准备启动一个叫作“仿星器”的核聚变设备,这是目前为止最大的核聚变设备。

这台斥资10亿欧元的机器名叫文德尔施泰因7-X(W7-X)。这个光芒闪烁的装置拥有16米宽的直径,上面布满了各种形状和尺寸的设备,无数的电缆从装备上蔓延到各个方向,技术人员不时在此处彼处敲打修补。

期待转折

W7-X看起来有点儿像电影《星球大战》中走私货船船长汉·索罗的“千年隼”号,在经过和帝国舰队的一次战役之后,正处于修理之中。在其内部是重达506吨的磁线圈,这些线圈就像被一个生气的巨人揉乱了一样,稀奇古怪地缠绕在一起。

尽管仿星器从原理上说和托卡马克是一样的,但它们却一直是聚变能研究领域的“黑马”。托卡马克更有利于密封等离子体,并且可持续保持高温,使内部反应不断发生。但是这种类似西班牙艺术家萨尔瓦多·达利风格的装置却具有许多独特之处,可以让其拥有更好的商业核聚变能发电前景:一旦被启动,这些仿星器就会自然而然地进入稳定状态,它们不会产生困扰托卡马克装置的让金属变弯的磁干扰。然而不利的是,它们的建造难度异常大,因此耗用的金钱也会难以预计,并且比其他核聚变项目的建成时间更加延后。“没有人想象过,建成它意味着什么。”该项目德国负责人Thomas Klinger说。

W7-X标志着一个转折点。这台机器坐落于由Klinger担任所长的马普学会等离子体物理研究所(IPP),并且正等待在11月被正式批准运行。这是世界上首台由超级计算机设计的大型仿星器新产品,计算机已经对其绝大部分保护外壳可能遇到的问题进行了运算。如果W7-X的表现可以与一个同样规模的托卡马克装置相媲美,甚至超过后者,那么聚变科学家可能就要重新考量该领域未来的研究进程。“托卡马克研究者们在翘首以盼即将发生的事情,全世界都对W7-X充满期待。”美国麦迪逊市威斯康星大学工程学家David Anderson说。

独特优势

W7-X是全球首个大规模仿星器,它的组装已经花费了110万个小时的工作量。它采用了迄今为止设计最为复杂的工程模型之一,必须要经受得住剧烈的温差和巨大的压力。

仿星器面临着所有核聚变装置存在的挑战:它们必须加热及承载超过1亿摄氏度的高温气体,这是太阳核心温度的7倍。如此的高温会从原子上剥离出电子,留下电子和离子构成的等离子体。它可以使离子以足够快的速度运转,以克服其相互排斥及熔化,但它同样使等离子气体不可能容纳在常规容器中。

取而代之的是,这些等离子体会被约束在一个“磁笼”中。一根携带电流的电线会缠绕在一个管道上,从而在管道中心产生磁场。该磁场会对等离子体产生引力,使之远离磁笼的外壁。为了阻止粒子在末端逃逸,很多核聚变早期研究者曾把管道弯曲成像甜甜圈一样的环形或是圆环,形成闭环系统。

但是圆环形状又产生了另一个问题:因为靠近“甜甜圈”核心圆环的线圈比外围圆环的线圈更为密集,因此其内环的磁场比外环的磁场更强。这种不平衡性使得粒子脱离轨迹,撞上磁场壁,其解决方法是对经过强磁场和弱磁场的粒子增加一处转折,这样强弱磁场的影响就可以相互抵消。

仿星器是在装置外围增加转折。首个仿星器由普林斯顿大学天文物理学家Lyman Spitzer在1951年建造,该装置通过把管道折叠成数字“8”的形状来实现这一目的。但是他建立的实验室——新泽西州普林斯顿等离子体物理实验室(PPPL)在后来的仿星器装置中转化了一种更加简便的方法:就像一根拐杖糖那样,在传统的环形管上缠绕更多线圈,从而在内部创建一个扭曲的磁场。

在托卡马克装置中,上世纪50年代苏联发明的一种设计则是从内部进行转折。该装置利用的设计就像一个电力变压器,可以诱导电子和粒子像电流一样围着管道运转。这样电流可以产生垂直的循环磁场,当将其置于运行中的另一个管道时,就会产生所需要的螺旋磁力线。这两种方式都可以发挥作用,但是托卡马克装置可以更好地控制等离子体。

在部分程度上,这是因为托卡马克的对称性给粒子提供了更加顺畅的通道。而在仿星器中,Anderson说,“粒子会碰到很多涟漪和扭动”,这会让很多粒子在此过程中丢失。因此,从上世纪70年代开始,大多数核聚变研究都聚焦在托卡马克装置上,比如位于法国的国际热核反应堆(ITER)项目。这是一项投资了160亿欧元的托卡马克装置国际合作项目,它可以产生远高于所消耗的能量,并为未来商业化反应堆铺平道路。

但是托卡马克装置也有严重的缺点。变压器仅能以短脉冲方式驱动等离子体中的电流,这并不适用于商业化的核聚变反应堆。同时,等离子体中的电流还会动摇不定,难以预测,导致“扰乱”:突然间失去等离子体约束,释放出强大的磁场,这种磁场足以毁坏反应装置。这些问题甚至困扰着崭露头角的类球形托卡马克装置的设计。

然而,仿星器可以免除这种困扰。它们的磁场完全来自外部的线圈,因此不需要被动脉冲,等离子体电流也就不会产生干扰。这两个优势已经让一些团队开始研究相关概念。

翘首以盼

目前在役的最大仿星器是位于日本鸟岛的大型螺旋装置项目(LHD),该装置从1998年起开始服役。如果Spitzer看到这个装置,也会认出它的设计模式——在两个螺线圈的经典模型基础上进行了一些改变的仿星器,它可以扭转等离子体和其他线圈,从而增加磁约束强度。这个LHD装置保持着当前在役仿星器的几乎所有主要纪录,表现出良好而稳定的操作状态,它接近同样规模的托卡马克装置的运行状态。

首次尝试部分优化仿星器的项目则是文德尔施泰因7-AS(W7-AS),该项目位于慕尼黑附近加兴市的IPP,于1988~2002年运行。它打破了所有同规模仿星器创下的纪录。而威斯康星州的研究人员在1993年开始建造第一个全优化的仿星器,其研发的装置就是螺旋对称实验(HSX)装置,该装置在1999年开始运行。“W7-AS和HSX表明了这种想法的可行性。”物理学家、PPPL仿星器负责人David Gates说。

这一成功增添了美国研究者试图建造更大装置的信心。2004年,PPPL开始利用和IPP不同的优化策略,建造国家级紧凑仿星器实验(NCSX)装置。但是该项目在组装方面要求达到毫米级的精度,这使得项目经费不断攀升,工程日期不断延后。2008年,尽管该项目已经购置完80%的主要部件,但美国能源部依然终止了该项目。“我们竭尽全力作出的成本估算和工程进度最终付诸东流。”PPPL研究人员、NCSX负责人George Hutch Neilson说。

视线再次回到德国,W7-X相关工程正在进行。德国核能源管理部门有望在近期批准该工程继续推进。真正的检验还要等到W7-X充满等离子体的时刻,届时研究人员最终将可以看到它如何持续维持热量。“全世界都在等待着,看我们是否能够达到约束时间以及控制其进行一次长时间脉冲。”PPPL研究员Gates说。如果该项目可以成功,那将意味着核聚变研究进程中的一次巨大突破。(红枫)

《中国科学报》 (2015-11-02 第3版 国际)
 
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