作者:冯丽妃 来源:中国科学报 发布时间:2014/10/21 11:17:03
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五年论证 五年实施
“洛克希德马丁”要造核聚变反应堆

美国军工企业洛克希德马丁公司正在建造的新型核聚变反应堆。图片来源:美国洛克希德公司

美国军工企业洛克希德马丁公司10月16日公布了该公司位于棕榈谷的臭鼬工厂正在建造的紧凑型核聚变反应堆(CFR)的一些信息后,很多科技鬼才为之抓狂。该公司称找到了封压温度极高的电离气体或等离子体的创新方法,这意味着它可以建成一个相当于当前规模1/10的反应堆,前者例如正在法国建设的国际核聚变工程—— 国际热核实验反应堆(ITER)。

如果可以建立这样一个小型的、更加经济的反应堆,将是一场改变世界的革命,因为建造ITER将要花费至少200亿美元,这只是证明了核聚变的反应原理,而不是让它发电。但是由于缺少足够真实信源,没有人会说洛克希德的新方法将会引发一场革命。“不能简单依靠这些信息得出结论。”英国富勒姆阿宾顿的聚变能源中心主任Steven Cowley说,“如果这不是洛克希德公布的信息,你可能会说这些简直是一堆疯狂的想法。”

洛克希德团队预测,可能要花费5年时间证明新核能反应堆的概念。在此之后,他们估计还需要另外花费5年建造一个可以提供100兆瓦电量的样品反应堆,这些电量足够供给一个小城市使用,而且反应堆还可以被安装在卡车的车厢里。洛克希德公司网站上的一段视频甚至讨论了在轮船和飞机上安装一台CFR的可能性。

但是洛克希德公布的信息中并未对反应堆的特点作出详细介绍。美国《航空周刊》10月16日的一篇对该团队负责人Thomas McGuire的专访披露了更多的细节。

核聚变的目的是通过获取原子核中的轻核——通常是氢的同位素,并把它们融合在一起形成氦——来释放原子核内部的能量。问题在于所有的原子核都带正电,相互排斥。为了让它们足够靠近地融合在一起,就需要把等离子体(由原子核与电子组成的气体)加热到超过1亿摄氏度,这样才能使原子核高速运转,并使它们相互碰撞之后进行融合。由于这个过程中的高温会融化世界上的所有的金属,建造一座核反应堆的挑战就是在不碰到反应堆边缘的前提下对等离子体进行封压。很多反应堆如超导托卡马克ITER选择使用超强磁场对等离子体进行封压。

从洛克希德提供的照片可以看到,CFR与一种称作尖端几何或有人称之为“尖桩篱栅”的磁场形态很相似。照片展示了一系列成串设置的环形电磁铁,就像一个窗帘横杆儿上的拉环。如果它是一个尖桩篱栅,那么等离子体就要顺着环形磁场中的轴心移动,同时电磁铁会朝向中心的等离子体产生磁场。这种效果就是如果轴心附近的带电粒子向外移动,周围的带电磁场就会再把它推回来。一开始这种作用力很小,但是粒子偏离轴心越远,周围磁场的推力就会越大。使封压的等离子体更加趋向于不稳定状态,从而产生其他种类的融合。

尖端几何在上世纪50年代由纽约大学教授Harold Grad首次提出,但后来却被放弃,因为实验显示这种机械方式存在漏洞:粒子会从两个环形电磁场中间的空隙逃逸。而一些尖端几何则在近年的一些器件制作方面得以复兴,如可以创造3D尖端几何而不是线性尖端几何的多面势阱。根据《航空周刊》报道,CFR将在磁场中使用一种在上世纪50年代才发展出的超导管线,这种超导体可以提供强大的电磁场增强封压效果。洛克希德公开的信息中还提及将会结合使用若干种品质最好的封压材料。Cowley认为,他们可能还会用到一种叫作场反向位形(FRC)的技术,在这种位形中,螺旋磁场将会被引入到等离子体封压过程中,这样它就可以对自己产生封压作用。FRC同样始于上世纪60年代,但这种方法却非常“短命”,仅可以维持千分之一秒。“他们可能试图在尖桩篱栅中设置一个FRC。”Cowley推测道。

根据10月17日的相关信息,McGuire在10月9日起草的3个美国专利申请文件揭示了关于核聚变反应堆的更多具体信息。它看起来确实像一种尖端几何设备,但是却比尖桩篱栅要复杂得多。它的两头还各有一个叫作磁镜的结构,作为一种磁性塞,阻止粒子沿轴心逃逸。

同时,一些科学家也指出了这种设备的一个潜在问题,即反应容器内用超导体做成的电磁铁线圈。如果它们在一个正在工作中的核聚变反应堆中,这些超导体会被核聚变的产物高能中子所破坏。其他使用高温超导体的设计有超过1米厚的挡板防止电磁线圈受到中子破坏,尽管麻省理工学院的研究人员坚持认为,挡板可能会被削减到77厘米厚。尽管如此,这层挡板也被加入到洛克希德目前的设计中,研究人员表示,这将会使核聚变反应堆的直径达到18米,而不是该公司声称的7米。(冯丽妃)

《中国科学报》 (2014-10-21 第3版 国际)
 
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