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德核能科学家创造出一头“负载怪兽”:模拟太阳内部持续不断的核聚变反应 手镯事件成功和解

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发布时间:2017-07-31 15:52:07

太阳是地球万物生长的动力源泉,无时无刻不在向外释放着巨大的能量, 其能量仿佛取之不竭。人类也一直梦想能在地球上建立一个像太阳一样的超级能源。但即便是在科技高度发展的今天,这一目标依旧难以实现。

太阳的能量来自于核聚变:氢离子在高温高压下发生反应,反应结果是产生一个氦核,放出一个中子,过程中伴随有大量能量的产生。在地球上若想实现核聚变,就必须模拟出与太阳类似的高温高压环境。为实现这一目标,科学家们建造了“磁瓶”为核聚变创造条件。

如今,德国马克斯·普朗克研究所等离子物理所(MPIPP)的科学家们正准备重启经过改进的仿星器——仿星器(Stellarator)因模拟恒星(比如太阳)内部持续不断的核聚变反应而得名,是以磁场约束核聚变等离子体,稳定运行提供动力的实验装置。

对于这次的实验,这些科学家表现得异常兴奋:为了这一天,他们等了五十年。也正是由于仿星器的复杂程度,使得其成为了一项具备里程碑意义的、人类科学与工程学上的双重挑战。

图丨工人在安装W7-X仿星器磁铁时的情形

然而,对于大多数人来说,提起核聚变的“磁瓶”,首先想到的是托卡马克(Tokamak),即环流器——这是一种长得像甜甜圈一样的装置,可以将等离子体束缚在一个环形管道内。

但事实上,托卡马克只是实现“磁瓶”的一种方式,另外一种更为复杂的方式是螺旋磁铁,以及介于托卡马克和螺旋磁铁之间的仿星器(stellarator)——这几类装置的目的都是为了束缚等离子体,而且这种束缚要足够强,可以将质子推的足够近。

这三类核聚变实验装置虽然都采用了一种“甜甜圈”构型,但却又有一些本质上的不同。虽然相比于托卡马克来说,仿星器有更好的束缚能力,但由于仿星器的磁场结构太过复杂,所以目前的实验中基本还是在使用托卡马克。

图丨托卡马克设计图

托卡马克的局限

实际上,托卡马克由一个“甜甜圈”型的真空管道构成,通过一系列缠绕在管道上的通电线圈来施加磁场,如下图所示。通电导线产生的磁场和其他一些磁铁产生的磁场一起,构成了一个磁力线分布沿真空管道轴向的磁场。

当等离子体注入时,其带电粒子在真空管道内螺旋形前进。咋一看,托卡马克可以通过磁场将等离子体束缚在管道中。

然而,事实却并非如此。对此,MPIPP仿星器项目的负责人Thomas Klinger教授说:“真空中的磁场并不具有束缚的属性,因为它仅是一个环形场。纯的环形场不能束缚等离子体——这早在1951年就被费米发现了。”

由于环形截面上磁场的分布不均匀,带电粒子会在磁力线之间漂移,能量较高的粒子会漂移到外部。所以等离子束流会向外膨胀然后打到管道内壁上。为在托卡马克中获得高温的等离子体,必须抑制这种漂移。

为实现此目标,需要在等离子束流中加载强大的电流。“你需要利用大电流来扭曲磁力线”,电流会产生另外一个磁场,这个磁场将扭曲原有磁场以使得磁力线呈螺旋状。

图丨Thomas Klinger教授

螺旋状的磁力线会组成一系列相互嵌套的平面(可以想象俄罗斯套娃),等离子体中的粒子被束缚在这些表面上。这样,尽管粒子仍会在不同的磁力线之间跳跃,但它们的漂移没有了方向性。所以,平均来看,带电粒子逃出束缚的可能性大大降低。

但即便是这样,由于经过等离子体的电流、等离子体密度和温度并不是在任一地方都均匀的,整个系统的稳定性还是很难保证。

精妙的磁:仿星器

但在仿星器中,情况就和托卡马克不一样了,因为仿星器外部施加的磁场足够束缚等离子体。所以,虽然真空管道依然是一个环形,但环绕管道的磁铁不再是二维轴对称的了。取而代之的是,可以产生扭曲磁场的异形磁铁