核融合出现新转折 无限干净能源有望实现

电力18讯：　　在一个正在努力戒掉对石化燃料的上瘾、并且满足日益成长的能源需求的世界中，有一种技术在发展中，几乎听起来太好以至于不能成真，那就是核融合(nuclear fusion)。

　　如果做得到的话，核融合动力会以接近无限的燃料来源，来提供非常大量的干净能源，以及差不多是零碳排放;那是如果做得到的话。不过世界上有一些研究团队花上数十亿美元，来确保可以做到核融合。

　　去年2月，文德尔施泰因7-X (Wendelstein 7-X)设备正式启用，开始了核融合能源研究的新单元。

　　这是在德国格赖夫斯瓦尔德市(Greifswald)建造的一座价值10亿欧元(14亿澳币，10.6亿美元)的实验性核融合反应炉，用来测试一个名为仿星器(stellarator)的反应炉设计。

　　计划到2021年左右，将能够持续运转达30分钟;对核融合反应炉来说，这是一项纪录。这是展示未来核融合发电厂基本特点的重要一步：连续运转。

　　但是文德尔施泰因7-X反应炉不是唯一的反应炉。法国南部正在建造一座国际热核融合实验反应炉(ITER)，是价值200亿美元(267亿澳币)的实验性核融合反应炉，使用一种名为叫做托卡马克(tokamak)的不同设计。

　　然而，即使文德尔施泰因7-X反应炉和国际热核融合实验反应炉采用不同的设计，这两项计划是互补的，而且在一座反应炉的创新，很可能转移成最终运转的核融合发电厂。

　　核融合能源试图复制为太阳提供动力的反应。在太阳里的两个非常轻的原子，例如氢或氦，融合在一起。

　　所得到的融合原子最终比原来的两个原子稍微轻一点，而根据爱因斯坦公式E = mc2，质量差被转换为能量。

　　困难之处在于激发两个原子融合时，需要加热到摄氏几百万度。

　　含有这种过热燃料是不容易的，因此，它被转变成热离子气体，电浆。电浆可以被包含在磁场内，所以不会真的接触到内部的反应炉。

　　仿星器设计是造成文德尔施泰因7-X反应炉特别有趣的原因。它有一个嵌入在磁瓶内的真空室，由一个70个超导磁线圈的系统所组成。这些超导磁线圈产生强大的磁场来约束热电浆。

　　仿星器和托卡马克是作为调查核融合动力的两种超环面(甜甜圈形状)的磁约束装置。

　　在这些实验中，强大的超环面(或环状)磁场产生磁瓶，来约束电浆。

　　然而，为了使电浆在甜甜圈形状的真空室中有很好的约束，磁场需要有一个转折。在托卡马克反应炉里，例如国际热核融合实验反应炉，电浆中的大电流产生所需要的转折路径。

　　然而，大电流可以迫使'转折点(kink)'不稳定性，能够造成电浆变得支离破碎。

　　如果电浆是支离破碎的话，反应炉需要充满气体来熄灭电浆，并防止破坏实验。

　　在仿星器中，磁场中的转折是藉由扭转整座机器本身来产生。这会移除大的超环面电流，并且使得电浆从本质上更稳定。

　　在磁线圈的工程复杂性和降低的约束所产生的费用，意味着电浆不太容易被包含在磁泡(magnetic bubble)内。

　　尽管文德尔施泰因7-X反应炉和国际热核融合实验反应炉采用不同的方式，大部分的底层技术是相同的。

　　它们都是超环面超导机器，而且都使用外部加热系统，例如无线电频率和中性粒子束注入来加热电浆，并且很多的电浆诊断技术是共同的。

　　在发电厂，氢的重同位素(氘和氚)融合形成了氦，并伴随着一个精力充沛的中子。

　　虽然氦被包含在电浆内，但是中子具有中性电荷，并且射进围绕电浆的'毯子(blanket)'里。这会加热毯子，结果驱动产生电力的蒸汽涡轮机。

　　横跨核融合功率的一个共同特点是，需要开发出能够承受由核融合反应所产生的高热和快速中子的材料。

　　不管设计如何，核融合反应炉的第一道墙是必须在整个寿命期间，承受来自高能粒子的大量轰击。

　　在这个阶段，还太早来说国际热核融合实验反应炉使用的托卡马克设计，或是文德尔施泰因7-X反应炉使用的仿星器，哪一个更适合于商业用的核融合发电厂。

　　但是文德尔施泰因7-X反应炉研究运作的开始不仅有助于决定哪种技术可能是最好的追求，而且会为任何未来的核融合实验，贡献出宝贵的知识，而且或许有一天成为真正的能量革命。