今年早些时候,在中国的一个小地方,有一个短暂的时刻,温度如此之高,以至于太阳在俯视地球时都会感到强烈的嫉妒。
科学家本周宣布,位于合肥的实验性先进超导托卡马克(EAST)反应堆终于实现了超过1亿摄氏度的温度,创造了聚变技术的新纪录,使我们更接近能源新时代。
收集原子聚变释放的大量能量并不是一件容易的事。为了用足够的力量将这些颗粒扔在一起,你需要用力挤压它们,或者用强力的嘎吱声将它们猛烈地撞击在一起。
中国科学院合肥物质科学研究院现在已经证明这种紧缩是可以实现的。
在太阳深处,氢在大约1500万摄氏度(2700 万华氏度)。那是集中重力的额外推动力。
如果我们想在地球上实现这一目标,我们需要一个温度高得多的烤箱。那是,热了近七倍比太阳的内部。然后我们需要将热氢汤保持足够长的时间,以使其值得产生能量。
如果我们能够实现这一目标,回报将是巨大的。与核不同– 剩余能量来自大原子衰变成更小的元素 –不会产生那么多的放射性废物。事实上,氢同位素挤压在一起的最终结果主要是氦。
世界各地的研究人员一直在试验不同形式的技术,这些技术可能会产生足够的热量来实现核聚变,这使得 EAST 成为测试技术极限的众多设施之一。
一些更有前途的方法将等离子体注入一个巨大的金属甜甜圈中,用磁场将带电粒子云固定在适当的位置。这允许原子持续加热,但需要一些巧妙的物理原理来将等离子体环保持在适当的位置。
仿星器,比如德国的温德尔斯坦7-X,使用磁性线圈组将蠕动的等离子体环固定到位。它们提供卓越的控制能力,但因此很难达到更高的温度。
今年早些时候W7-X 成功地将氦气加热到令人印象深刻的 4000 万摄氏度。与之前的努力相比,这是一个巨大的进步,但距离我们开始最重要的聚变过程所需的 1 亿度以上的温度还差得很远。
像中国的 EAST 反应堆这样的托卡马克装置利用移动等离子体本身产生的磁场来控制其摆动。这使得它不太稳定,但允许物理学家提高温度。
2017年,反应堆庆祝一个重要的里程碑将等离子体保持在高能量限制中 101.2 秒。
长时间处理热原子是从等离子体获取能量的关键一步,但现在他们必须将温度调高到足以使其原子融合并释放比过程消耗的更多的能量。
让步骤排列起来需要大量的实验和精细的调整。 EAST 的程序依赖于多种加热形式的正确组合,从而创造出最佳的等离子体密度。
最终结果是一团带电粒子云,其中含有加热到超过 1 亿度的电子。
我们很容易感觉到我们已经非常接近几乎取之不尽的清洁能源。每一个里程碑都是朝着这一目标迈出的重要一步。
但仍有许多挑战需要应对。以燃料供应为例。
理论上,聚变反应的原料供应量比化石碳氢化合物和铀还要多。这是普通的旧氢气。
可悲的是,现在并不是任何一种氢都可以——它的同位素”氚' 是首选,并且在大量供应中找不到它。至少在地球上不是。
任何人都无法知道我们如何或何时克服这些障碍。
尽管如此,达到合适的温度仍然是一件大事,因此值得对聚变仍指日可待抱有希望。
自2006年建成以来,EAST反应堆被称为“人造太阳”。说它可能一直幸灾乐祸,这并不公平。
现在我们可以说,它确实名副其实。