核聚變能源的進步

hunyann

2015-09-25

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美國麻省理工學院（MIT）技術評論月中發表理查德 馬丁（Richard Martin）的文章[說，聚變發電研究的焦點已從政府重大科研項目轉向創業公司的新穎設計。

核聚變在三十年的政府資助、昂貴研究之后，沒有產生切實的突破，而是從有希望高效、無限電力來源變得更像個“廣告妙語”了。

然而，去年開始發生改變。幾個追求新穎的聚變堆設計、得到私下資助的公司和大學為基礎的小型研究團體，發表了很有“前景”的成果，能把生產原型機的“時間表”從幾十年縮短到幾年。商業聚變發電仍然有很長的路要走，但這種反應堆的輪廓現在可以“感知”了。

傳統的聚變研究集中于大型、環形機，稱為“托克馬克”。它運用強大的磁場壓縮高溫等離子體（即動蕩的帶電粒子）聚合形成氦，并在此過程中釋放出大量的能量。挑戰是約束高熱的等離子體并保持它穩定。現今的聚變堆如法國南部的國際熱核實驗堆（ITER）工程，使用巨大的電磁線圈，消耗的能量比機器實際生產的還多。ITER吸引科學家、從中國、歐盟、印度、俄羅斯、日本、韓國和美國籌集資金，預計成本幾十億美元，想在這個世紀30年代的某個時候建成一個工作的反應堆。或許有可能。

兩個最新的進展，為生產能源的聚變堆提供了新的、更快的途徑，使聚變界很受“激勵”。基地在加州小丘牧場（Foothill Ranch）的三阿爾法能源公司（Tri Alpha Energy）八月初說，它成功地保持高能等離子體穩定達五毫秒，比眨眼的時間還短，但按其首席技術官米希爾·本德鮑爾（Michl Binderbauer）的說法，在聚變反應的尺度上，就是“半個世紀”了。

本德鮑爾說，三阿爾法公司把高能粒子加速器的原理，如大型強子對撞機用于聚變堆問題。尤其是該團隊建造了個長23米的裝置，兩個等離子體“云”相互點火，形成一個等離子體環。約束環在一起的磁場靠等離子體自身生成，這種技術稱為“反場位形”（FRC）[。等離子體靠加速器注入高能粒子維持。

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三阿爾法能源公司的聚變發電裝置形象設計。

這是個23米長磁鐵環繞的真空管，布滿控制裝置、診斷儀器和粒子束發生器。

本德鮑爾說，三阿爾法的設計面對的挑戰是“足夠熱和足夠長”，即在足夠高的溫度下保持等離子體穩定，以實現“獲得”能量的聚變。最近的實驗表明，這個公司——曾從投資人引來幾百萬美元的資助，包括高盛（Goldman Sachs）和伏爾甘（Vulcan）、微軟共同創辦人保羅 艾倫（Paul Allen）投資基金——已解決了“足夠長”的難題。使等離子體“足夠熱”是下一個關鍵挑戰。明年，三阿爾法公司將開始建造新的、更強大“版本”的實驗裝置，試驗更高溫下的過程。

在麻省理工學院（MIT）的等離子體科學與聚變中心，核科學工程教授、這個中心的主任丹尼斯 懷特（Dennis Whyte）為首的團組和研究生布蘭登 索鮑（Brandon Sorbom），七月發表了名為ARC（買得起、強健、緊湊）機器的概念設計。這個新奇的ARC設計是電磁約束等離子體性質的。使用最近開發的、靈活的稀土鋇銅氧化物制成的超導條帶，可以使ARC堆磁場的振幅高得多，因而使反應堆設計尺寸比其他托克馬克機器小得多。研究人員還設想用液態“再生體”環繞等離子體，吸收中子避免損害，并用高效熱交換介質發電。

增強環繞磁場的振幅，使等離子體內產生的聚變功率上升四個數量級。這種提升引人注目。據懷特說，有可能在一年左右的時間制造一臺商業原型機。

提議的ARC堆剖面圖。

由于強大的新型磁力技術，更小、不昂貴的ARC堆能像更大的堆一樣提供同樣電力

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“眾所周知，如果把磁場提到很高水平，就可制造非常緊湊的裝置，”他說，“但電磁鐵必須是銅的——超導與磁場不相容。”現在，先進超導條帶的出現可使緊湊的反應堆連續產生聚變。

發表在《聚變工程與設計》上的這篇ARC堆的論文[強調，目前它只是個概念設計。懷特希望吸引資助，在接下來的幾年內建造一個實驗機。與此同時，一大批私營公司，不僅包括三阿爾法公司，而且還有基地在英國的托克馬克能源公司（Tokamak Energy）和基地在溫哥華的通用聚變公司（General Fusion），都在對相關但不同的設計進行研究，以便使聚變進入原型機階段[。

“我們越來越接近可行的機器”，通用聚變公司創始人、首席科學家米希爾·拉伯奇（Michel Laberge）說。“多年來，聚變研究是政府大型實驗室的‘領地’，做了偉大的工作并確定了聚變可行的基礎。但沒有很大的緊迫感。”

現在，“緊迫感”增加，而且這些公司正在試驗新理念和新辦法，吸引投資這么做。通用聚變公司最近就擁有馬來西亞主權財富基金為首投資人團體的2.7千萬美元新基金。

贏得1976年諾貝爾物理獎、三阿爾法公司顧問伯頓·里克特（Burton Richter）說，“現在發生的事情值得‘反思’”。上個世紀90年代削減預算，強迫停止各種替代選擇方法，但ITER和美國能源部國家點火裝置除外。三阿爾法等公司嘗試不用納稅人的錢、而用私營部門的資金鋪設一條通向受控聚變的路——而這最終成了實際上取得某些成就的唯一道路。

普林斯頓等離子體物理實驗室等離子體物理學家喬納森 梅納德（Jonathan Menard）指導的國家球形花托試驗，正在追求用類似沙灘球形托克馬克替代環形面圈。梅納森最近完成了自己的9.4千萬美元升級的試驗機計劃，緊緊跟蹤三阿爾法和ARC成就的進展，而且相信這些創新應當進一步跟蹤。

然而，有個謹慎的資深聚變科學家曾提出警告：不要“直到建成聚變堆，還不確信。”

注釋：

1. Richard Martin，Finally, Fusion Takes Small Steps Toward Reality，MIT Technology Review，September 14, 2015

2. FRC—field-reversed configuration

3. B.N. Sorbom, J. Ball, T.R. Palmer, F.J. Mangiarotti, J.M. Sierchio, P. Bonoli, C. Kasten, D.A. Sutherland, H.S. Barnard, C.B. Haakonsen, J. Goh, C. Sung, D.G. Whyte，ARC: A compact, high-field, fusion nuclear science facility and demonstration power plant with demountable magnets，Fusion Engineering and Design，14 July 2015

4. Tyler Hamilton, A New Approach to Fusion, MIT Technology Review, July 31, 2009

本文刊載28日中國能源網。

老鷹

圖片看不到哦，圖片需要上傳。

愛心觀眾

好高端的樣子

frazil

我記得合肥科學島上的還是很先進的，印象中那個馬克控制時間比這個小型機要長得多。有感興趣的可以了解一下，也驗證一下我是不是記錯了

hunyann

這個新爐子的關鍵是小型化！！！！！！！！！！！！！！！

hunyann

多年前，我設計的UFO爐子也是這個原理，脈沖核聚變反應爐！！！

hunyann

hunyann

hunyann

核聚變原子爐成功的關鍵是磁場強度！！！B=9.2特斯拉太小！！！