核融合出現新轉折,無限乾淨能源有望實現!

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讓我們完成吧

在一個正在努力戒掉對石化燃料的上癮、並且滿足日益成長的能源需求的世界中,有一種技術在發展中,幾乎聽起來太好以至於不能成真,那就是核融合(nuclear fusion)。

如果做得到的話,核融合動力會以接近無限的燃料來源,來提供非常大量的乾淨能源,以及差不多是零碳排放;那是如果做得到的話。不過世界上有一些研究團隊花上數十億美元,來確保可以做到核融合。

去年2月,文德爾施泰因7-X (Wendelstein 7-X)設備正式啟用,開始了核融合能源研究的新單元。

這是在德國格賴夫斯瓦爾德市(Greifswald)建造的一座價值10億歐元(14億澳幣,10.6億美元)的實驗性核融合反應爐,用來測試一個名為仿星器(stellarator)的反應爐設計。

計劃到2021年左右,將能夠持續運轉達30分鐘;對核融合反應爐來說,這是一項紀錄。這是展示未來核融合發電廠基本特點的重要一步:連續運轉。

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但是文德爾施泰因7-X反應爐不是唯一的反應爐。法國南部正在建造一座國際熱核融合實驗反應爐(ITER),是價值200億美元(267億澳幣)的實驗性核融合反應爐,使用一種名為叫做托卡馬克(tokamak)的不同設計。

然而,即使文德爾施泰因7-X反應爐和國際熱核融合實驗反應爐採用不同的設計,這兩項計劃是互補的,而且在一座反應爐的創新,很可能轉移成最終運轉的核融合發電廠。

轉來轉去

核融合能源試圖複製為太陽提供動力的反應。在太陽裡的兩個非常輕的原子,例如氫或氦,融合在一起。

所得到的融合原子最終比原來的兩個原子稍微輕一點,而根據愛因斯坦公式E = mc²,質量差被轉換為能量。

困難之處在於激發兩個原子融合時,需要加熱到攝氏幾百萬度。

含有這種過熱燃料是不容易的,因此,它被轉變成熱離子氣體,電漿。電漿可以被包含在磁場內,所以不會真的接觸到內部的反應爐。

仿星器設計是造成文德爾施泰因7-X反應爐特別有趣的原因。它有一個嵌入在磁瓶內的真空室,由一個70個超導磁線圈的系統所組成。這些超導磁線圈產生強大的磁場來約束熱電漿。

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仿星器和托卡馬克是作為調查核融合動力的兩種超環面(甜甜圈形狀)的磁約束裝置。

在這些實驗中,強大的超環面(或環狀)磁場產生磁瓶,來約束電漿。

然而,為了使電漿在甜甜圈形狀的真空室中有很好的約束,磁場需要有一個轉折。在托卡馬克反應爐裡,例如國際熱核融合實驗反應爐,電漿中的大電流產生所需要的轉折路徑。

然而,大電流可以迫使’轉折點(kink)’不穩定性,能夠造成電漿變得支離破碎。

如果電漿是支離破碎的話,反應爐需要充滿氣體來熄滅電漿,並防止破壞實驗。

在仿星器中,磁場中的轉折是藉由扭轉整座機器本身來產生。這會移除大的超環面電流,並且使得電漿從本質上更穩定。

在磁線圈的工程複雜性和降低的約束所產生的費用,意味著電漿不太容易被包含在磁泡(magnetic bubble)內。

一起來

儘管文德爾施泰因7-X反應爐和國際熱核融合實驗反應爐採用不同的方式,大部分的底層技術是相同的

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它們都是超環面超導機器,而且都使用外部加熱系統,例如無線電頻率和中性粒子束注入來加熱電漿,並且很多的電漿診斷技術是共同的。

在發電廠,氫的重同位素(氘和氚)融合形成了氦,並伴隨著一個精力充沛的中子。

雖然氦被包含在電漿內,但是中子具有中性電荷,並且射進圍繞電漿的’毯子(blanket)’裡。這會加熱毯子,結果驅動產生電力的蒸汽渦輪機。

橫跨核融合功率的一個共同特點是,需要開發出能夠承受由核融合反應所產生的高熱和快速中子的材料。

不管設計如何,核融合反應爐的第一道牆是必須在整個壽命期間,承受來自高能粒子的大量轟擊。

在這個階段,還太早來說國際熱核融合實驗反應爐使用的托卡馬克設計,或是文德爾施泰因7-X反應爐使用的仿星器,哪一個更適合於商業用的核融合發電廠。

但是文德爾施泰因7-X反應爐研究運作的開始 不僅有助於決定哪種技術可能是最好的追求,而且會為任何未來的核融合實驗,貢獻出寶貴的知識,而且或許有一天成為真正的能量革命。

來源:ScienceAlert