Z機為未來提供聚變能

秦雪/編譯

Z機為未來提供聚變能

秦雪/編譯

Z機的電脈沖產(chǎn)生了強大磁場，壓縮核燃料管

美國新墨西哥州的桑迪亞國家實驗室的等離子體物理學(xué)家，每次給核聚變反應(yīng)堆點火時，都會有一大塊金屬裝置在煙霧中化為烏有。Z機里成排的電容器里充滿著相當(dāng)于1 000個閃電的電能，只要一按開關(guān)，2 000萬安培的電流就會涌向一個只有橡皮擦大小的裝滿燃料的圓筒，這股電流產(chǎn)生難以想象的巨大磁場，快速而狂暴的擠壓力將圓筒內(nèi)的氫原子聚變成氦，釋放出高能量的中子和氦原子核（一種粒子），爆炸將放置在微小圓筒的復(fù)雜裝置（一塊重達10公斤的固體金屬）完全汽化。項目經(jīng)理邁克·庫尼奧（Mike Cuneo）說道：“這相當(dāng)于釋放出了3支炸藥的能量，點火之后，裝置會留下一個1英尺寬的火山口。”

物理學(xué)家現(xiàn)在準備通過添加一點用于熱核武器上的珍貴燃料來制造更大的爆炸，這一做法既有風(fēng)險也有回報。最近幾年來發(fā)表的計算、模擬和實驗結(jié)果表明，與激光和托卡馬克聚變裝置相比，Z裝置更有希望率先實現(xiàn)自持聚變反應(yīng)，并且其成本也相對較低。到目前為止，Z機釋放的主要是氘（原子核中帶有1個中子的氫），只能釋放出有限數(shù)量的聚變能。然而2015年8月，研究人員嘗試添加了少量的氚（帶有2個中子的氫）。今后5年里，測試劑量將逐漸增加到50%的氘和50%的氚（DT）。

50%對 50%的DT燃料釋放的中子是單獨以氘做燃料核聚變的60至90倍，DT燃料核聚變產(chǎn)生的每個中子和α粒子攜帶的能量是單以氘為燃料的4倍。因此，隨著燃料中氚含量向著50%目標逐漸增加，產(chǎn)生的能量將大幅飆升。

其他核聚變發(fā)電技術(shù)的嘗試遵循了同樣的途徑。1997年，英國阿賓頓的一個托卡馬克裝置聯(lián)合歐洲環(huán)（JET），以50%對50%的DT燃料產(chǎn)生了16兆瓦的電力，雖然持續(xù)時間只有不到一秒鐘，但這次點火創(chuàng)下了核聚變產(chǎn)生能量的最高紀錄，這個紀錄一直保持至今。但JET反應(yīng)器壁上的石墨限制了能量產(chǎn)出。“對于氚來說，碳像海綿一樣，因此大約有70%的氚會噴射粘在反應(yīng)堆內(nèi)壁上。”英國牛津國際熱核實驗反應(yīng)堆（ITER）物理部門負責(zé)人薩維爾·利托頓（Xavier Litaudon）回憶道。利托頓現(xiàn)在正在游說增加JET的資金，計劃于2019年開始新一輪的DT實驗。建在法國的卡達拉舍附近的ITER是一個國際托卡馬克裝置，將使用DT釋放出遠超投入燃料的核聚變能量。

表1：桑迪亞實驗室的Z機與少數(shù)幾處核聚變反應(yīng)堆一樣使用了氘氚（DT）燃料

托卡馬克與Z裝置原理不同：前者利用環(huán)形磁場來約束高溫等離子體，屬于磁約束；后者利用燃料的慣性和強電流形成的磁籠，在微秒時間范圍內(nèi)發(fā)生劇烈反應(yīng)，屬于磁-慣性約束。這種反應(yīng)原理與美國加州的勞倫斯利物莫國家實驗室（LLNL）的國家點火裝置（National Ignition Facility，NIF）類似，所不同的是NIF用萬億瓦功率的激光來誘發(fā)聚變反應(yīng)。

桑迪亞實驗室和NIF的科學(xué)家不用再擔(dān)心因氚流失在石墨壁上的問題，因為與托卡馬克裝置不同的是，Z機沒有用于束縛的封閉墻體。與NIF不同的是，Z機的磁場能延緩α粒子的產(chǎn)生，并沿磁場線將它們束縛住，將更多的能量用于維持聚變反應(yīng)。

為核聚變點上一把火

桑迪亞實驗室是目前還在使用DT的3個聚變反應(yīng)中心之一（見表1）。一個問題是成本：1克氚需要花費數(shù)萬美元，因為自然界沒有這種東西，它是核反應(yīng)堆在核裂變過程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。另一個問題是安全：“氚具有輕度放射性，半衰期為12年，須謹慎處理。”美國新澤西州普林斯頓等離子體物理實驗室（PPPL）的研究員里奇·哈維盧克（Rich Hawryluk）說道。更重要的是，DT聚變反應(yīng)過程中與鋼鐵部件產(chǎn)生碰撞也會讓這些部件稍微沾染上放射性。所以當(dāng)PPPL在使用了DT并于1999年關(guān)閉反應(yīng)堆后進行了謹慎處理，在這個房間大小的容器里填滿混凝土后，然后切片埋在了華盛頓州的漢福德核保留地。

只要接觸到水，甚至包括空氣中的濕氣，氚就會形成氚水，氚水比純氣態(tài)T2的生物危險性至少強1萬倍，哈維盧克說道。這也是Z機特別引起重視的一個問題，為此Z機的電氣部件都做了水和油的隔離處理。“我們不希望有氚進入。”庫尼奧說道。

而在NIF，氚可能帶來的危險較小，它被包含在一個微小的球體中，操作人員不需要經(jīng)常進入機器內(nèi)部。相比之下，桑迪亞實驗室的容器兩端是開口的，在劇烈反應(yīng)下氚會與到處飛濺的氣態(tài)金屬相混合。“每次點火后，都要有人進入里面更換加速器。”庫尼奧說道。

盡管如此，桑迪亞實驗室仍然在繼續(xù)推動使用氚，部分原因是它能夠生成更多的中子，后者有助于揭示瞬間存在的高溫高密度等離子體的行為。具體情況現(xiàn)代物理學(xué)至今也不十分清楚。庫尼奧說，在明年計劃的3次點火中，他們將移動一個氚控制系統(tǒng)，以達到測試空氣吹掃安全系統(tǒng)和更清晰研究中子。

“最近的研究成果令我們備感興奮，雖然只添加了0.1%的氚。”他補充道,“過去我們很難相信可以用氚進行聚變反應(yīng)。”

[資料來源：Science][責(zé)任編輯：岳 峰]