在 2022 年 9 月 7 日发表于《自然》杂志上的一篇文章中,韩国首尔国立大学的 Yong-Su Na 团队,详细介绍了他们是如何让核聚变反应堆维持 30 秒的 1 亿摄氏度极端高温的。虽然当前实验装置的规模相对有限,但不断刷新的研究成果,正在让我们逐渐接近未来可用的商业聚变反应堆
学界普遍推测,商用核聚变还要数十年才能走向现实。但在此期间,我们在理解和结果方面的渐进式进展也在不断涌现。
比如 2021 年进行的一项实验,就已经实现了能量输入与输出的自维持,现研究团队正在制定商业反应堆的概念设计。与此同时,法国大型 ITER 实验性聚变反应堆的工作也在有条不紊的推进中。
据悉,对等离子体的控制,是聚变反应堆研究中的一个难点。若接触到器壁,等离子体就会迅速冷却、抑制反应、并对容纳它的腔室造成重大损害。
研究人员通常使用各种形式的磁场来控制等离子体,比如借助 ETB 边缘传输屏障。它能够在反应器壁附近形成压力急剧截止的等离子体,这种状态可阻止热量和等离子体的逸出。
其次是 ITB 内部传输屏障,该方案可在靠近等离子体中心的地方产生更高的压力 —— 但两者都难以避免不稳定的问题。
好消息是,Yong-Su Na 团队在韩国超导托卡马克高级研究(KSTAR)的实验装置上,成功运用了改进后的 ITB 技术。
通过实现低得多的等离子体密度,他们的方案似乎提高了等离子体的核心温度、并降低了边缘的温度,因而有望延长聚变反应堆的组件寿命。
伦敦帝国理工学院的 Dominic Power 表示,为增加反应堆的能量输出,你可以让等离子体变得极热、致密、或增加限制时间。
不过这支韩国研究团队发现,密度限制实际上比传统的操作模式要低一些,而这不一定是坏事 —— 因为它可以通过核心中更高的温度来补偿,这绝对是一项振奋人心的进展。
只是我们对物理学的理解能否扩展到更大的设备上,目前仍存在着很大的不确定。所以像 ITER 之类的装置,其体型要比 KSTAR 要大得多。
Yong-Su Na 补充道,低密度是这项研究的一个关键。而等离子体核心的“快速”(或更高能的)离子 —— 即所谓的快速离子调节增强(FIRE)—— 则是维持反应器稳定性不可或缺的一部分。
目前该团队尚未完全了解其中涉及的机制,且由于硬件的限制,反应会在 30 秒后停止。展望未来,KSTAR 有望达成更耀眼的成就。
现在 KSTAR 正在停机升级,通过将反应器壁上的碳成分换为钨,Yong-Su Na 表示此举将提升实验的可重复性。
最后,英国曼彻斯特大学的 Lee Margetts 表示:
聚变反应堆的物理特性正在逐渐深入人心,但在建造一座切实可行的聚变反应电厂之前,仍需克服一些技术障碍。
其中包括如何从中提取热量,并用它来产生电流的方法。显然到了这一步,研究的重点将更侧重于工程学、而不是物理学。
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