Z機(jī)為未來(lái)提供聚變能

秦雪/編譯

Z機(jī)為未來(lái)提供聚變能

秦雪/編譯

Z機(jī)的電脈沖產(chǎn)生了強(qiáng)大磁場(chǎng)，壓縮核燃料管

美國(guó)新墨西哥州的桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的等離子體物理學(xué)家，每次給核聚變反應(yīng)堆點(diǎn)火時(shí)，都會(huì)有一大塊金屬裝置在煙霧中化為烏有。Z機(jī)里成排的電容器里充滿著相當(dāng)于1 000個(gè)閃電的電能，只要一按開(kāi)關(guān)，2 000萬(wàn)安培的電流就會(huì)涌向一個(gè)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(chǎng)，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(dá)10公斤的固體金屬）完全汽化。項(xiàng)目經(jīng)理邁克·庫(kù)尼奧（Mike Cuneo）說(shuō)道：“這相當(dāng)于釋放出了3支炸藥的能量，點(diǎn)火之后，裝置會(huì)留下一個(gè)1英尺寬的火山口。”

物理學(xué)家現(xiàn)在準(zhǔn)備通過(guò)添加一點(diǎn)用于熱核武器上的珍貴燃料來(lái)制造更大的爆炸，這一做法既有風(fēng)險(xiǎn)也有回報(bào)。最近幾年來(lái)發(fā)表的計(jì)算、模擬和實(shí)驗(yàn)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(shí)現(xiàn)自持聚變反應(yīng)，并且其成本也相對(duì)較低。到目前為止，Z機(jī)釋放的主要是氘（原子核中帶有1個(gè)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(gè)中子的氫）。今后5年里，測(cè)試劑量將逐漸增加到50%的氘和50%的氚（DT）。

50%對(duì) 50%的DT燃料釋放的中子是單獨(dú)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(gè)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(biāo)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(guó)阿賓頓的一個(gè)托卡馬克裝置聯(lián)合歐洲環(huán)（JET），以50%對(duì)50%的DT燃料產(chǎn)生了16兆瓦的電力，雖然持續(xù)時(shí)間只有不到一秒鐘，但這次點(diǎn)火創(chuàng)下了核聚變產(chǎn)生能量的最高紀(jì)錄，這個(gè)紀(jì)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?！皩?duì)于氚來(lái)說(shuō)，碳像海綿一樣，因此大約有70%的氚會(huì)噴射粘在反應(yīng)堆內(nèi)壁上?！庇?guó)牛津國(guó)際熱核實(shí)驗(yàn)反應(yīng)堆（ITER）物理部門(mén)負(fù)責(zé)人薩維爾·利托頓（Xavier Litaudon）回憶道。利托頓現(xiàn)在正在游說(shuō)增加JET的資金，計(jì)劃于2019年開(kāi)始新一輪的DT實(shí)驗(yàn)。建在法國(guó)的卡達(dá)拉舍附近的ITER是一個(gè)國(guó)際托卡馬克裝置，將使用DT釋放出遠(yuǎn)超投入燃料的核聚變能量。

表1：桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的Z機(jī)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(chǎng)來(lái)約束高溫等離子體，屬于磁約束；后者利用燃料的慣性和強(qiáng)電流形成的磁籠，在微秒時(shí)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(guó)加州的勞倫斯利物莫國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（LLNL）的國(guó)家點(diǎn)火裝置（National Ignition Facility，NIF）類(lèi)似，所不同的是NIF用萬(wàn)億瓦功率的激光來(lái)誘發(fā)聚變反應(yīng)。

桑迪亞實(shí)驗(yàn)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(wèn)題，因?yàn)榕c托卡馬克裝置不同的是，Z機(jī)沒(méi)有用于束縛的封閉墻體。與NIF不同的是，Z機(jī)的磁場(chǎng)能延緩α粒子的產(chǎn)生，并沿磁場(chǎng)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(diǎn)上一把火

桑迪亞實(shí)驗(yàn)室是目前還在使用DT的3個(gè)聚變反應(yīng)中心之一（見(jiàn)表1）。一個(gè)問(wèn)題是成本：1克氚需要花費(fèi)數(shù)萬(wàn)美元，因?yàn)樽匀唤鐩](méi)有這種東西，它是核反應(yīng)堆在核裂變過(guò)程中產(chǎn)生的副產(chǎn)品。另一個(gè)問(wèn)題是安全：“氚具有輕度放射性，半衰期為12年，須謹(jǐn)慎處理?！泵绹?guó)新澤西州普林斯頓等離子體物理實(shí)驗(yàn)室（PPPL）的研究員里奇·哈維盧克（Rich Hawryluk）說(shuō)道。更重要的是，DT聚變反應(yīng)過(guò)程中與鋼鐵部件產(chǎn)生碰撞也會(huì)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(jìn)行了謹(jǐn)慎處理，在這個(gè)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(huì)形成氚水，氚水比純氣態(tài)T2的生物危險(xiǎn)性至少?gòu)?qiáng)1萬(wàn)倍，哈維盧克說(shuō)道。這也是Z機(jī)特別引起重視的一個(gè)問(wèn)題，為此Z機(jī)的電氣部件都做了水和油的隔離處理?！拔覀儾幌Ｍ须斑M(jìn)入。”庫(kù)尼奧說(shuō)道。

而在NIF，氚可能帶來(lái)的危險(xiǎn)較小，它被包含在一個(gè)微小的球體中，操作人員不需要經(jīng)常進(jìn)入機(jī)器內(nèi)部。相比之下，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室的容器兩端是開(kāi)口的，在劇烈反應(yīng)下氚會(huì)與到處飛濺的氣態(tài)金屬相混合?！懊看吸c(diǎn)火后，都要有人進(jìn)入里面更換加速器。”庫(kù)尼奧說(shuō)道。

盡管如此，桑迪亞實(shí)驗(yàn)室仍然在繼續(xù)推動(dòng)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(kù)尼奧說(shuō)，在明年計(jì)劃的3次點(diǎn)火中，他們將移動(dòng)一個(gè)氚控制系統(tǒng)，以達(dá)到測(cè)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(bǔ)充道,“過(guò)去我們很難相信可以用氚進(jìn)行聚變反應(yīng)?！?/p>

[資料來(lái)源：Science][責(zé)任編輯：岳 峰]