科学探索|科学家打破了在受控、持续的聚变反应中产生能量的记录科学家打破了在受控、持续的

英国一家实验室的科学家们打破了在受控、持续的核聚变反应中产生能量的记录。在英国的欧洲联合环（JET）实验中，五秒钟内产生59兆焦耳的能量被一些新闻媒体称为“突破”，并在物理学家中引起了相当大的兴奋。但是，关于核聚变发电的一个常见说法是，它“永远是20年后的事” 。
田纳西大学核工程副教授David Donovan和Livia Casali研究如何发展受控核聚变以达到发电的目的。
JET的结果表明，在对核聚变物理学的理解方面取得了显著进展。但同样重要的是，它表明用于建造核聚变反应堆内壁的新材料按预期工作。新墙体结构表现得如此之好，是这些成果与以往里程碑式的成果的区别，并将磁聚变从一个梦想提升到了现实。

文章图片

核聚变是将两个原子核聚合成一个复合核。然后这个原子核破裂，以新原子和粒子的形式释放能量，并从反应中加速离开。一个核聚变发电厂将捕获逃逸的粒子，并利用它们的能量来发电。
在地球上有几种不同的方法来安全控制核聚变。Donovan和Casali的研究重点是JET采取的方法--使用强大的磁场来限制原子，直到它们被加热到足够高的温度，使它们融合。
目前和未来反应堆的燃料是两种不同的氢同位素--意味着它们有一个质子，但中子的数量不同--称为氘和氚。正常的氢在其核内有一个质子，没有中子。氘有一个质子和一个中子，而氚有一个质子和两个中子。
为使核聚变反应成功，燃料原子必须首先变得如此之热，以至于电子从原子核中挣脱出来。这就产生了等离子体--正离子和电子的集合。然后需要不断加热该等离子体，直到它达到超过1亿摄氏度的温度。然后，这个等离子体必须在一个密闭的空间内以高密度保持足够长的时间，以便燃料原子相互碰撞并融合在一起。
为了控制地球上的核聚变，研究人员开发了甜甜圈形状的装置--称为托卡马克--利用磁场来控制等离子体。缠绕在“甜甜圈”内部的磁场线就像火车轨道一样，离子和电子沿着它“行驶” 。通过向等离子体注入能量并将其加热，有可能将燃料粒子加速到如此高的速度，以至于当它们碰撞时，燃料核不是相互弹开，而是融合在一起。当这种情况发生时，它们会释放能量，主要是以快速移动的中子的形式。
在核聚变过程中，燃料粒子逐渐漂离热而密集的核心，最终与核聚变容器的内壁相撞。为了防止内壁因这些碰撞而退化--这反过来也会污染核聚变燃料--反应堆的建造方式是，它们将偏离的粒子引向一个称为分流器的重装甲室。这将抽出被转移的粒子，并消除任何多余的热量以保护托卡马克。

文章图片

过去的反应堆的一个主要限制是，转移器无法在持续的粒子轰击中生存超过几秒钟。为了使核聚变发电在商业上发挥作用，工程师们需要建造一个托卡马克容器，它能够在核聚变所需的条件下生存多年。
偏滤器壁是第一个考虑因素。尽管燃料粒子在到达偏滤器时要冷得多，但当它们与偏滤器的壁材料碰撞时，它们仍然有足够的能量将原子撞松。以前，JET的偏滤器有一个由石墨制成的壁，但石墨吸收和捕获了太多的燃料，无法实际使用。
【科学探索|科学家打破了在受控、持续的聚变反应中产生能量的记录】2011年左右，JET的工程师将偏滤器和内容器壁升级为钨。选择钨的部分原因是它具有所有金属中最高的熔点--当偏滤器可能经历的热负荷比重新进入地球大气层的航天飞机鼻锥高近10倍时，这是一个极其重要的特性。托卡马克的内容器壁从石墨升级到了铍。对于聚变反应堆来说，铍具有出色的热和机械性能--它比石墨吸收的燃料更少，但仍能承受高温。