未来核电厂可进一步控制核聚变

2017/1/18 14:00:26

德国的Wendelstein7-X核反应堆可以极大提升核能利用效率，核聚变反应炉既不排放二氧化碳，也比目前核电厂所采用的核裂变反应炉，产生更少的核废料，放射性也将在短期内消失。“仿星器”设计方案可能是未来最为合适的核电厂类型。

六十多年来，科学家们一直梦想着将核聚变所产生的巨大能量转化为清洁、取之不尽的能源来源。但是，核聚变的不可控制成为最大的难题。如今，在德国马克思普朗克学会等离子体物理研究所（IPP）的努力下，这一梦想可能很快就要实现了。

上周，美国《科学》周刊消息称，经过一年的测试，科学家们正力图在今年11月底前，将全球最大的“仿星器”——Wendelstein7-X投入使用。

就像太阳能量的产生依靠原子核的聚变反应一样，“仿星器”（Stellarator）的本质上是一种核聚变反应研究设备。仿星器通过模仿恒星内部持续不断的核聚变反应，将等离子态的氢同位素氘和氚约束起来，并加热至1亿摄氏度的高温，发生聚变以获得持续不断的能量，最终帮助人类实现对核聚变释放能量的有效利用。

这台坐落在德国东北部城市格赖夫斯瓦尔德的Wendelstein7-X反应堆，其核心部件磁线圈装置高度大约3.5米，整个设备的宽约为16米。总共耗时110万小时，投入约10亿欧元，于2014年建成。最关键的是，其一次运行可以连续约束超高温等离子体长达30分钟。

能否实现对超高温等离子体的长时间约束，是反应堆设计领域的关键所在，这意味着是否能够控制核聚变。

根据知乎作者夏晓昊的解释，可控核聚变是指可以控制核聚变的开启和停止，以及随时可以对核聚变的反应速度进行控制。

简单而言，同样是可燃烧物质，火药可以用来做成炸弹，利用其高能量瞬间爆发的破坏性；同时也可以掺点杂质，做成蜂窝煤，使其当做煤炉燃料来缓慢释放能量，而燃烧或熄灭均可控制的秘诀，在于蜂窝煤炉的炉门。将蜂窝煤炉的燃料换成核燃料，烧上开水，让开水变成蒸汽去推动轮机发电，就相当于核电站的基本雏形。

德国科学家称，核聚变所需的燃料氘、氚，在自然界中储存量十分巨大，而一公斤核聚变燃料所产生的电能又等同于1.1万吨煤炭；除此之外，核聚变反应炉既不排放二氧化碳，也比目前核电厂所采用的核裂变反应炉，产生更少的核废料，放射性也将在短期内消失。“仿星器”设计方案可能是未来最为合适的核电厂类型。

“全球能源需求不断增长，我们必须探索一切获取能源的可能性。Wendelstein7-X是全球最大的仿星器装置，能有效帮助我们拓展对核聚变的认识，希望借助此类实验找到长期维系能源的可持续供应的新方法。”德国联邦教研部长约翰娜˙万卡（JohannaWanka）在该装置的竣工仪式上表示。

除了Wendelstein7-X型反应堆，从事核聚变的物理学原理研究的马克思普朗克研究所，目前运营着慕尼黑附近加兴市（Garching）的托克马克（Tokamaks）装置，这也让马克思普朗克成为世界上唯一一家同时拥有两种不同类型聚变装置的研究所。

托克马克装置是目前核聚变领域最为常见的设计方案，其典型外观是一种中空的金属舱，外形类似中空的蛋糕甜点。随着加入其中的燃料被加热，温度超过1500万摄氏度，将产生超高温等离子体。

不过，托克马克的设计存在安全隐患。其采用了两组强大的磁铁提供对等离子体的约束，磁铁分别安放在真空腔和设备内部，以驱动真空腔内的等离子体运动。但这会使装置内部磁场强度高于外部，有可能使得装置内部的等离子体冲向设备外壁，并与电子结合，重新变成原子。一旦电流或磁场中断，将对整个反应堆造成破坏，影响安全。

与之相比，Wendelstein7-X型反应堆的优势之一就在于，可以克服托克马克装置设计中的安全缺陷。该装置中，等离子体采用外部磁线圈产生的扭曲磁感线，对内部运行的等离子体进行约束，杜绝了上述安全隐患。

此外，约束高温等离子体的时长是Wendelstein7-X型反应堆的另一个优势。Wendelstein7-X型反应堆对高温等离子体的连续约束时间长达30分钟，远远高于托克马克6分30秒的最高纪录。较短的约束时间，会使得托克马克装置的能源消耗大于产出。

不过，也有专家对在线新闻网站BI表示，怀疑Wendelstein7-X对等离子体的约束时间。“世界都在等待Wendelstein7-X最终的约束时间，现在到了证明的时候。”普林斯顿等离子体物理实验室的负责人大卫˙盖茨（DavidGates）对《科学》周刊称。